Dispositivo sensor y procedimiento para la determinación de una magnitud física.

Dispositivo sensor para la determinación de una magnitud física con un láser (1,

25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103), cuyo comportamiento de emisión puede ser influenciado a través de la magnitud física, en el que el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) está instalado para la emisión de al menos dos modos concurrentes y que se encuentran por encima del umbral del láser (E1, E2, E1', E2', E3, E4) y el dispositivo sensor está diseñado para la determinación de la magnitud física a través de una comparación de las modificaciones de las intensidades, que resultan bajo la influencia de la magnitud física, de los al menos dos modos (E1, E2, E1', E2', E3, E4), caracterizado porque el dispositivo sensor para la determinación de las intensidades de los al menos dos modos (E1, E2, E1', E2', E3, E4) presenta una instalación de medición para el alojamiento del ruido relativo de intensidad (RIN) del láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103).

Dispositivo sensor y procedimiento para la determinación de una magnitud física La invención se refiere a un dispositivo sensor del tipo indicado en el preámbulo de la reivindicación 1 y a un procedimiento de acuerdo con el preámbulo de la reivindicación 16.

En dispositivos y procedimientos conocidos de este tipo se calcula como magnitud física, por ejemplo, la absorción óptica o bien la capacidad de absorción de una sustancia química, en particular de un fluido (por ejemplo, DE 197 17 145 C2, DE 100 63 678 A1) . A tal fin se sintoniza un diodo láser emisor monomodo sobre una zona de longitudes de ondas predeterminada, para cubrir de esta manera al menos una línea de absorción característica en el espectro de un fluido a detectar. La sintonización del láser se realiza, por ejemplo, a través de una variación de su temperatura de trabajo.

Un problema en dispositivos sensores de este tipo representa la longitud reducida de interacción con las moléculas de fluido a detectar. Por lo tanto, también se conoce ya incrementar la longitud de interacción efectiva de los dispositivos sensores a través de la aplicación de un micro-resonador en forma de un cristal fotónico, lo que se opone al mismo tiempo al deseado de una fuente de luz externa, por ejemplo un láser. En este caso, o bien una luz emitida desde una fuente de luz externa, por ejemplo un láser es conducida a través del cristal fotónico atravesado por la corriente de fluido (por ejemplo, DE 100 63 151 A1) o el cristal fotónico es concentrado junto con un material activo de láser en un láser, de tal manera que el gas que circula a través del resonador influye directamente en las propiedades del láser o bien en el comportamiento de emisión del láser (por ejemplo, DE 101 19 618 A1) . A partir de las modificaciones de las propiedades de emisión se puede deducir el tipo o la concentración del fluido.

La sensibilidad de verificación de tales sensores de fluido es considerada, sin embargo, todavía como insuficiente para aplicaciones prácticas, en particular cuando deben utilizarse para la verificación cualitativa o cuantitativa de fluidos especialmente tóxicos o especialmente nocivos por otros motivos.

En el caso de un sensor de fluido, la absorción óptica como magnitud física provoca un debilitamiento de la intensidad de le luz irradiada y con ello una modificación del comportamiento de emisión del láser.

A partir del Artículo “Use of the mode competition effect in a Helium – Neon Laser for Measurements of small acoustic vibration amplitudes” (traducción) , Izmeritel” naya Tekhnika, Número 9, página 80, Septiembre de 1974, se conoce un dispositivo sensor, en el que se compara entre sí la intensidad de dos modos que concurren entre sí en un láser. Para la determinación de la intensidad de los modos concurrentes se emplea un interferómetro con foto multiplicadores dispuestos a continuación. En el ejemplo de una modificación de la longitud provocada por ondas acústicas del resonador del láser se muestra que ya una modificación insignificante de magnitudes físicas exteriores tiene una repercusión considerable sobre las intensidades de los modos concurrentes, a partir de lo cual resulta una alta sensibilidad del dispositivo sensor. No obstante, la medición óptica realizada es comparativamente costosa y sólo con condiciones se puede miniaturizar.

Por lo tanto, el problema técnico de la presente invención consiste en configurar el dispositivo sensor y el procedimiento de los tipos designados al principio de tal forma que a pesar del tipo de construcción miniaturizado, se pueden calcular numerosas magnitudes físicas diferentes y en particular sus modificaciones con una alta sensibilidad y exactitud.

Para la solución de este problema sirven los rasgos característicos de las reivindicaciones 1 y 16.

Mientras que hasta ahora, salvo en aplicaciones directas (por ejemplo, soldadura, estañado o taladrado) , se ha pretendido siempre accionar un láser en monomodo y suprimir los modos secundarios (por ejemplo, DE 38 36 116 A1) , la presente invención tiene el objetivo de aprovechas la competencia de los modos que se produce durante el funcionamiento de un láser con más de un modo. En este caso, se aprovecha el hecho de que el equilibrio de modos comparativamente inestable de un láser accionado en varios modos se perturba en una medida considerable ya a través de modificaciones insignificantes de numerosas magnitudes de influencia, como por ejemplo temperatura, corriente de inyección o condiciones geométricas del resonador. Estas magnitudes de influencia son utilizadas de acuerdo con la invención o bien directamente como las magnitudes físicas a calcular o indirectamente para la medición de magnitudes dependientes como, por ejemplo, longitud, volumen, índice de refracción, campo eléctrico, campo magnético, presión, absorción óptica o similares. Por lo tanto, en principio, el dispositivo sensor de acuerdo con la invención es adecuado para la determinación de todas las magnitudes físicas, que influyen o bien directa o indirectamente en el comportamiento de emisión de un láser o a partir de aquéllas que se pueden derivar de magnitudes que influyen en el comportamiento de emisión.

En el caso de una operación láser de varios modos, incluso una influencia extraordinariamente pequeña de la emisión láser, provocada por una magnitud física, conduce a una modificación esencialmente clara de los modos, como se observa para un único modo en el funcionamiento monomodo.

De acuerdo con la invención, las intensidades de los al menos dos modos concurrentes son calculadas a través de una medición del ruido relativo de la intensidad (relativ intensity noise, RIN) . La invención aprovecha el hecho de que a través de ecuaciones de tasas de láser, la dinámica de las densidades portadoras de carga (electrónicas) en la zona activa del láser y las densidades de fotones (fotónicas) en los modos individuales están estrechamente correlacionadas en el resonador, con lo que todos los elementos visibles en el espectro se pueden encontrar de nuevo también en magnitudes electrónicas. De esta manera, es posible sustituir la medición óptica comparativamente cara a través de la medición del ruido relativo de la intensidad, es decir, a través de la medición de una magnitud electrónica, lo que implementa una posibilidad de medición muy económica.

Otras características ventajosas de la invención se deducen a partir de las siguientes reivindicaciones dependientes.

A continuación se explica en detalle la invención en combinación con los dibujos adjuntos en ejemplos de realización. En este caso:

La figura 1 muestra una representación esquemática de un primer dispositivo sensor destinado para la verificación y medición de la concentración de una sustancia química;

la figura 2 muestra una representación esquemática de la dependencia espectral de las magnitudes de funcionamiento o bien de medición del dispositivo sensor según la figura 1;

las figuras 3 y 4 muestran representaciones correspondientes a las figuras 1 y 2 para un dispositivo sensor para la medición de una longitud o modificación de la longitud;

la figura 5 muestra de forma esquemática partes de un dispositivo sensor para la medición de una presión o de una modificación de la presión;

las figuras 6 a 10 muestran dispositivos sensores para la verificación y para la medición de la concentración de una sustancia química;

la figura 11 muestra una representación esquemática de la dependencia espectral de las magnitudes de funcionamiento o bien de las magnitudes de medición del dispositivo sensor según la figura 10; y

las figuras 12 a 24 muestran otros dispositivos sensores para la verificación y para la medición de la concentración de una sustancia química.

La figura 1 muestra un dispositivo sensor para la verificación de una sustancia química en forma de un fluido para la determinación de la absorción de luz láser. En este caso, se aprovecha el hecho de que se pueden identificar fluidos con la ayuda de sus bandas o bien líneas de absorción características y también se pueden verificar cuantitativamente.

El dispositivo sensor contiene un láser 1 representado de forma esquemática y realizado con preferencia como láser de cuerpo sólido con un resonador horizontal, delimitado por dos espesor resonadores 2 y 3. Entre los espejos resonadores 2, 3 está dispuesto un medio láser activo 4 del láser 1, en cuyos lados anchos está previsto, respectivamente, una capa de semiconductores 4a, 4b. La reflexividad del espejo resonador 3 es inferior al 100 %, de manera que una parte de la luz 5 intensificada óptimamente... [Seguir leyendo]

1. Dispositivo sensor para la determinación de una magnitud física con un láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) , cuyo comportamiento de emisión puede ser influenciado a través de la magnitud física, en el que el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) está instalado para la emisión de al menos dos modos concurrentes y

que se encuentran por encima del umbral del láser (E1, E2, E1’, E2’, E3, E4) y el dispositivo sensor está diseñado para la determinación de la magnitud física a través de una comparación de las modificaciones de las intensidades,

que resultan bajo la influencia de la magnitud física, de los al menos dos modos (E1, E2, E1’, E2’, E3, E4) ,

caracterizado porque el dispositivo sensor para la determinación de las intensidades de los al menos dos modos (E1, E2, E1’, E2’, E3, E4) presenta una instalación de medición para el alojamiento del ruido relativo de intensidad

(RIN) del láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) .

2. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado porque presenta un sistema de detección óptica (6 a 10) para la medición de una distribución de la intensidad espectral de la radiación emitida por el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) .

3. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 1 ó 2, caracterizado porque el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) es un láser de cuerpo sólido.

4. Dispositivo sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque está configurado para la determinación de la absorción óptica a través de una sustancia química, que presenta al menos una banda de absorción óptica (A) como magnitud física.

5. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 4, caracterizado porque presenta una cámara de alojamiento (14, 28, 30, 34, 45, 55, 58b, 60, 64, 74, 84, 90, 94, 96 a 98, 109, 110) prevista dentro de un resonador del láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) , para un fluido.

6. Dispositivo sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque contiene un láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) con un resonador horizontal.

7. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque la cámara de alojamiento (14, 28, 30, 34, 84, 90, 94) está configurada como al menos una interrupción en un material láser activo (4, 85) .

8. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 6, caracterizado porque el resonador contiene espejos resonadores (87, 88, 92, 104) configurados como cristales fotónicos.

9. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque la cámara de alojamiento (90, 94) contiene cavidades que permanecen libres entre columnas (89, 93) de los cristales fotónicos (87, 88, 92) .

10. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado porque los cristales fotónicos contienen taladros (97, 98) en forma de tubos que formar el espacio de alojamiento.

11. Dispositivo sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 5, caracterizado porque contiene un láser

(51) con un resonador vertical.

12. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 11, caracterizado porque la cámara de alojamiento contiene al menos una cavidad (60) , que está dispuesta entre dos espejos resonadores (53, 54) formados por espejos DBR.

13. Dispositivo sensor de acuerdo con la reivindicación 11 ó 12, caracterizado porque al menos un espejo resonador (53) contiene una secuencia de capas formada por al menos una capa de cuerpo sólido (58a, 59a) y al menos una capa de aire (58b, 59b) que forma una cámara de alojamiento para un fluido.

14. Dispositivo sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 13, caracterizado porque está instalado para la determinación de la absorción a través de varias sustancias químicas, conteniendo un láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) , que está configurado para la irradiación de una pluralidad correspondiente de modos (E1, E2, E1’, E2’, E3, E4) , uno modo de los cuales se puede sintonizar a una banda de absorción (A) de una de las sustancias.

15. Dispositivo sensor de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 a 13, caracterizado porque está instalado para la determinación de la absorción a través de una pluralidad (k-1) de sustancias químicas, conteniendo un láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) , que está instalado para la radiación de una pluralidad (k) de modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) , que es al menos en uno mayor que la pluralidad (k-1) de las sustancias, pudiendo sintonizarse, con la excepción de un modo que sirve como modo de referencia, todos los demás modos (k-1) al mismo tiempo a una banda de absorción (A) respectiva de una de las sustancias.

16. Procedimiento para la determinación de una magnitud física utilizando un láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) a través de la influencia de su comportamiento de emisión por medio de la magnitud física, en el que el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) , es accionado de tal manera que emite al menos dos modos (E1,

E2, E1’, E2’, R3, R4) concurrentes que se encuentran por encima del umbral láser, y en el que la magnitud física se determina a través de comparación de aquellas modificaciones, que resultan en las intensidades de los al menos dos modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) bajo la influencia de la magnitud física, caracterizado porque las intensidades de los al menos dos modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) son determinadas a través de una medición del ruido relativo de la intensidad (RIN) del láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) .

17. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 16, caracterizado porque como modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) , se utilizan modos longitudinales y/o transversales eléctricos y/o magnéticos.

18. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 16 ó 17, caracterizado porque el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80,

86, 91, 102, 103) es accionado con al menos dos modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) , que poseen polarizaciones diferentes.

19. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 16 a 18, caracterizado porque se realizan mediciones de calibración para la determinación cuantitativa de la magnitud física.

20. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 16 a 19, caracterizado porque como magnitud física se determina una absorción óptica (A) a través de una sustancia química.

21. Procedimiento de acuerdo con una de las reivindicaciones 16 a 19, caracterizado porque como magnitud física se determina una longitud, una presión, un campo magnético o eléctrico, una energía de radiación electromagnética, una temperatura, una energía térmica, una potencia de radiación o una magnitud derivada de ellas.

22. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado porque el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86,

91, 102, 103) es accionado de tal manera que irradia una pluralidad de (k) modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) y se sintoniza de tal manera que la pluralidad (k) de modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) coincide espectralmente, salvo al

menos un modo, respectivamente, con una banda de absorción (A) de una pluralidad (k-1) , inferior al menos en uno, de sustancias químicas y porque al menos un modo, que no está asociado a ninguna de las sustancias, se utiliza como modo de referencia.

23. Procedimiento de acuerdo con la reivindicación 20, caracterizado porque el láser (1, 25, 37, 51, 61, 71, 80, 86, 91, 102, 103) es accionado de tal forma que puede irradiar para la determinación de la absorción que se puede conducir a través de diferentes sustancias una pluralidad (k) de modos (E1, E2, E1’, E2’, R3, R4) y de esta manera se puede determinar que en cada caso uno de los modos coincide espectralmente con una banda de absorción (A) de una de las sustancias.