УСТРОЙСТВО И СПОСОБ АНАЛИЗА ВЕЩЕСТВА

1. Устройство для анализа вещества, содержащее:
- измерительный элемент (1, 1a), который имеет измерительную поверхность (2) и выполнен с возможностью связываться, по меньшей мере, частично с веществом (3) в области измерительной поверхности для осуществления измерения, в частности, выполнен с возможностью связываться непосредственно или посредством среды, в частности жидкости, или может быть приведен в контакт непосредственно или также посредством среды,
- источник возбуждающего луча, который выполнен с возможностью генерировать свет или возбуждающий луч с разными длинами волн, в частности, лазерное устройство (4), в частности, с квантово-каскадным лазером (ККЛ), настраиваемым ККЛ и/или с лазерным массивом, предпочтительно, представляет собой массив ККЛ, для генерации одного или более возбуждающих лучей (10) с различными длинами волн, предпочтительно в инфракрасной или средней инфракрасной области спектра, который направлен на вещество (3), когда измерительный элемент (1, 1a) в области измерительной поверхности (2) связан и/или находится в контакте с веществом (3), и
- детекторное устройство (5, 6, 7), которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент (1, 1a) или связано с ним, и включает в себя следующее:
источник (5) детекторного света, предпочтительно когерентного детекторного света (11), а также
подключенную или выполненную с возможностью подключения к упомянутому источнику детекторного света первую световодную структуру (6), которая направляет детекторный свет, и показатель преломления которой по меньшей мере на участках зависит от температуры и/или давления, причем первая световодная структура содержит, по меньшей мере, один участок (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в по меньшей мере части первой световодной структуры (6) вследствие изменения температуры или давления.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что, по меньшей мере, участок проекции первой световодной структуры (6) в направлении нормалей к измерительной поверхности (2) перекрывается с этой измерительной поверхностью (2).
3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что для модуляции интенсивности возбуждающего луча (10) предусмотрено устройство (8) модуляции.
4. Устройство по пп.1, 2 или 3, отличающееся тем, что оно содержит измерительное устройство (7) для прямого или косвенного определения интенсивности света в первой световодной структуре (6), в частности на участке (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света в по меньшей мере части первой световодной структуры вследствие изменения температуры или давления.
5. Устройство по пп.1, 2, 3 или 4, отличающееся тем, что детекторное устройство содержит интерферометрическое устройство, в частности интерферометр (12) и/или резонансный элемент световода, в частности резонансное кольцо (13) или резонансный корпус.
6. Устройство по любому из пп.1-5, отличающееся тем, что первая световодная структура (6), в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, включает в себя по меньшей мере один стекловолоконный световод (14), который по меньшей мере участками прочно соединен с измерительным элементом (1).
2
7. Устройство по любому из пп.1-6, отличающееся тем, что световод (15, 16) первой световодной структуры (6), в частности интерферометрическое устройство первой световодной структуры, интегрирован в подложку (1а) измерительного элемента или соединен с подложкой, при этом первая световодная структура (6), в частности, содержит, по меньшей мере, один кремниевый оптический световод, который соединен с изолирующей подложкой или встроен в изолирующую подложку, и причем, в частности, кремниевый оптический световод по меньшей мере частично покрыт изолятором, в частности SiO.
8. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) проходит через материал измерительного элемента (1, 1а), в частности, в области измерительной поверхности измерительного элемента или в области, прилегающей к измерительной поверхности (2) или в области, непосредственно граничащей с измерительной поверхностью, причем измерительный элемент или область, проходимая возбуждающим лучом (10), является прозрачной для возбуждающего луча.
9. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) направляется внутри измерительного элемента (1, 1а) или на измерительный элемент через вторую световодную структуру (17).
10. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) проходит в непрерывной выемке (18) измерительного элемента между лазерным устройством (4) и веществом (3), подлежащим измерению, причем выемка заканчивается, в частности, на удалении от измерительной поверхности или проходит через измерительную поверхность (2), или расположена в области, которая непосредственно примыкает к измерительной поверхности и/или граничит с ней.
11. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 1а) выполнен в виде плоского корпуса, в частности, в виде плоскопараллельного тела в форме пластины, причем, в частности, толщина измерительного элемента в направлении, перпендикулярном к измерительной поверхности (2), составляет менее 50% наименьшей протяженности измерительного элемента в направлении, проходящем в измерительной поверхности, в частности, менее чем 25%, еще в частности менее чем 10%.
12. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что измерительный элемент (1, 1а) имеет или несет зеркальное устройство (19) для отражения возбуждающего луча (10), испускаемого лазерным устройством (4), на измерительную поверхность (2).
13. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что возбуждающий луч (10) направлен параллельно измерительной поверхности (2) или под углом менее 30 градусов, в частности, менее 20 градусов, более конкретно, менее 10 градусов, или менее 5 градусов к измерительной поверхности в измерительном элементе (1, 1a), причем возбуждающий луч отклоняется или отводится в направлении измерительной поверхности, причем возбуждающий луч проходит, в частности через измерительную поверхность или через воображаемое продолжение измерительной поверхности в области непрерывной выемки (18) в измерительном элементе.
14. Устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что в измерительном элементе (1, 1a), при рассмотрении от измерительной поверхности (2) позади и/или рядом с детекторным устройством (5, 6, 7), в частности первой световодной структурой (6), в частности, примыкая к ней и в тепловом контакте размещен по меньшей мере один охладитель (20) в виде твердого тела или материала, причем, в частности удельная теплоемкость и/или удельной теплопроводность упомянутого твердого тела или материала охладителя превышает удельную теплоемкость и/или удельную теплопроводность материала детекторного устройства (5, 6, 7) и/или первой световодной структуры и/или подложки (1а) первой световодной структуры (6) и/или других материалов, из которых состоит измерительный элемент (1, 1a), и/или предусмотрен барьер (30, 40, 41) в измерительном элементе (1, 1a), что по меньшей мере, частично предотвращает воздействие тепловой волны и/или волны давления на часть детекторного устройства, в частности, на часть первой световодной структуры (6), далее. в частности на опорное плечо интерферометра, и/или первая световодная структура (6) детекторного устройства содержит по меньшей мере два измерительных участка (15а, 16а), которые расположены, в частности, в разных плечах интерферометра, и в которых показатель преломления изменяется в зависимости от давления и/или изменений температуры, в частности, от тепловой волны и/или волны давления, так что фазовый сдвиг проходящего через измерительные участки детекторного света и, как следствие, изменение интенсивности детекторного света, происходит на следующем участке в зависимости от изменений давления и/или температуры, причем два измерительных участка расположены в измерительном элементе таким образом, что через них один за другим во времени, в частности, в смещенных во времени временных промежутках или с интервалом времени проходит волна давления и/или тепловая волна, которая от измерительной поверхности (2), в частности от области измерительной поверхности, в которой через нее проходит возбуждающий луч, распространяется в измерительном элементе.
15. Датчик, в частности для устройства по любому из предшествующих пунктов, с измерительным элементом (1, 1a), который имеет измерительную поверхность (2) и в области измерительной поверхности для измерения температурной волны и/или волны давления, по меньшей мере, частично связан с веществом (3), в частности, приведен в контакт,
и с детекторным устройством (5, 6, 7), которое, по меньшей мере, частично интегрировано в измерительный элемент (1, 1a) или соединено с ним и которое включает следующее:
источник (5) когерентного детекторного света (11), а также
первую световодную структуру (6), которая может быть связана или связана с источником детекторного света и которая направляет детекторный свет, причем показатель преломления упомянутой первой световодной структуры, по меньшей мере, на участках, зависит от температуры и/или давления,
по меньшей мере, один участок (9), на котором интенсивность света зависит от фазового сдвига детекторного света по меньшей мере в части первой световодной структуры (6) вследствие изменения температуры или давления, причем первая световодная структура содержит интерферометрическое устройство, в частности, интерферометр (12) и/или резонансное кольцо (13) световода или другой резонансный элемент световода, а также
измерительное устройство (7) для определения интенсивности света в интерферометрическом устройстве или на нем.
16. Способ управления устройством по любому из предшествующих пунктов, отличающийся тем, что модулированный возбуждающий луч (10), в частности, через измерительный элемент, направляют на вещество (3), которое необходимо проанализировать, при этом посредством детекторного устройства определяют профиль интенсивности света или периодическое изменение интенсивности света, причем его регистрируют для множества длин волн возбуждающего луча путем измерения изменения интенсивности света в первой световодной структуре или путем измерения интенсивности света из первой световодной структуры, и из зарегистрированных данных получают спектр поглощения анализируемого вещества.
17. Способ по п.16, отличающийся тем, что измерение проводят для разных частот модуляции возбуждающего луча (10), причем определяют скорректированный спектр поглощения из комбинации полученных спектров поглощения.