專利名稱：Atr探針的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于檢測介質(zhì)的光學特性的ATR探針，包括整體的ATR體，其具 有至少一個可被施加介質(zhì)的表面區(qū)段；和發(fā)射光導組件，用于將非對準的光入射到ATR體 內(nèi)；以及接收光導組件，用于接收通過ATR體后的入射光。
背景技術(shù)：
這種ATR探針例如在公開文獻DE 102006036409A1中有所公開。這種探針基于 ATR體接觸介質(zhì)的界面的上的唯一全反射并具有非常簡單的結(jié)構(gòu)。但這種探針的靈敏度有 待于改進。US2001/0030288A1公開了在發(fā)射器和ATR體之間以及在ART體與二極管行探測器 之間具有圓柱形透鏡的ATR探針。DE 19856591A1公開了一種具有兩個單獨光通道的ATR探針。US 5991029A公開了一種具有在ATR體的接觸介質(zhì)的表面上多次反射的ATR探針， 其中，棱面以最小的反射角反射，以避免光在那里被射出。US 5773825A公開了一種具有用于光輸入的棱鏡和為此還具有薄的光盤的ATR探 針。US 5703366A公開了一種類似方式的多體ATR體，其具有第一晶體和晶片以及其 間的光透射界面。US 4826313A公開了一種具有用于對散射射束進行對準的光學透鏡的ATR探針。EP 0206433A2公開了一種具有至少兩個接觸介質(zhì)的面的ATR探針。所稱的探針光學上或結(jié)構(gòu)上非常復雜并因此增加了制造成本，特別是在探針需要 與小直徑的圓柱體探針桿一體化的情況下。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的因此在于，提供一種特別是過程應用的ATR探針，其克服現(xiàn)有技術(shù) 的缺點，特別是具有相對噪聲比得到改進的信號并適用于簡單的批量生產(chǎn)。探針最好化學 上耐溶劑、堿和酸以及磨粒性的介質(zhì)。該目的通過依據(jù)獨立權(quán)利要求1的ATR探針得以實現(xiàn)。依據(jù)本發(fā)明用于檢測介質(zhì)光學特性的ATR探針包括整體的ATR體，其具有至少一 個可被施加介質(zhì)的表面區(qū)段；發(fā)射光導組件，用于將非準直的光入射到ATR體內(nèi)；接收光導 組件，用于接收通過ATR體后的入射光，其中，光通過ATR體的過程包括在ATR體的接觸介 質(zhì)的表面上的至少兩次全反射；其特征在于，用于接收從ATR體出來的光的接收光導組件 的有效面積以系數(shù)F大于用于將光入射到ATR體內(nèi)的發(fā)射光導組件的有效面積，其中，F(xiàn)至 少為1，優(yōu)選至少為4/3和進一步優(yōu)選至少為3/2和特別優(yōu)選至少為2，以及其中，發(fā)射光導 組件包括至少兩個發(fā)射光導且接收光導組件包括至少三個接收光導。依據(jù)本發(fā)明目前優(yōu)選的構(gòu)成，ATR體包括至少一個具有錐形或截錐形表面的區(qū)段
5且截錐形的表面至少可以部分地被施加介質(zhì)。具有錐形或截錐形表面的區(qū)段例如可以具有不小于40°和不超過50°，最好不 小于43°和不超過47°，特別是45°的半錐角。半錐角是指圓錐的對稱軸線與圓錐的側(cè)面 之間的角度。在本發(fā)明這種構(gòu)成的進一步構(gòu)成中，ATR體包括圓柱體區(qū)段，其與錐形或截錐形區(qū) 段的基底連接。圓柱體區(qū)段例如可以具有不超過1/2，最好不超過1/3，進一步優(yōu)選不超過 1/4錐形或截錐形區(qū)段的基底半徑的高度。在本發(fā)明這種構(gòu)成的附加進一步構(gòu)成中，ART體 具有與截錐形區(qū)段連接的倒圓頂端。倒圓頂端例如可以具有不超過1/6，最好不超過1/7， 進一步優(yōu)選不超過1/8截錐形區(qū)段基底半徑的半徑。在本發(fā)明的進一步構(gòu)成中，ATR探針此外包括套環(huán)和隔離體，套環(huán)將發(fā)射光導 和接收光導定位，且隔離體夾緊在套環(huán)與ATR體之間，其中，隔離體例如可以包括搭環(huán) (Oberwurfring )。在本發(fā)明目前優(yōu)選的構(gòu)成中，發(fā)射光導組件包括多個發(fā)射光導，其端面的中心依 據(jù)本發(fā)明的進一步構(gòu)成設(shè)置在一個圓弧上，其中，該圓弧優(yōu)選以錐軸線作為中心。發(fā)射光導的端面依據(jù)本發(fā)明的構(gòu)成可以直接彼此相鄰設(shè)置。因此是指直接相鄰的 發(fā)射光導端面之間不存在接收光導端面。但這一點不排除發(fā)射或接收光導處于套環(huán)內(nèi)并因 此光導包括其端面在內(nèi)通過套環(huán)材料彼此分開或彼此相距。在本發(fā)明的一種構(gòu)成中，接收光導組件包括多個接收光導，其端面設(shè)置在一個區(qū) 域中，所述區(qū)域最短的封閉分界線環(huán)繞發(fā)射光導端面的映像(Abbildimg)，該映像通過發(fā)射 光導的端面環(huán)繞錐軸線旋轉(zhuǎn)180°而產(chǎn)生。接收光導的端面例如覆蓋該區(qū)域面積的至少20%，最好至少35%和特別優(yōu)選至 少50%，該區(qū)域最短的封閉分界線環(huán)繞發(fā)射光導端面的映像，該映像通過發(fā)射光導的端面 環(huán)繞錐軸線旋轉(zhuǎn)180°而產(chǎn)生。在本發(fā)明的另一種構(gòu)成中，接收光導組件包括多個接收光導，接收光導的端面設(shè) 置在一個區(qū)域內(nèi)，其最短的封閉分界線環(huán)繞發(fā)射光導端面的模擬映像，該模擬映像是在假 設(shè)空氣中數(shù)值孔徑不低于0. 1和不超過0. 3的情況下，通過從發(fā)射光導入射到ATR體內(nèi)的 光的光線路徑在ART體的錐形側(cè)面上兩次全反射并從ATR體出射后在接收光導端面的平面 上產(chǎn)生。模擬映像例如可以在假設(shè)在空氣中數(shù)值孔徑不超過0. 15的情況下進行，其中，接 收光導的端面覆蓋該區(qū)域面積的例如至少20%，最好至少35%和特別優(yōu)選至少50%，該區(qū) 域最短的封閉分界線環(huán)繞發(fā)射光導端面的模擬映像。在本發(fā)明的一種構(gòu)成中，ATR探針包括套環(huán)，其將發(fā)射光導和接收光導定位，其中， 發(fā)射光導或接收光導的光軸在套環(huán)內(nèi)基本上平行于錐形或截錐形的區(qū)段的軸線。在本發(fā)明的另一種構(gòu)成中，ATR探針包括套環(huán)，其將發(fā)射光導和接收光導定位，其 中，發(fā)射光導以及接收光導的光軸在套環(huán)內(nèi)各自與錐形或截錐形區(qū)段的軸線相比向著圓錐 的軸線傾斜，從而沿發(fā)射光導的光軸射入的光的k向量在ART體內(nèi)具有徑向向內(nèi)定向的分 量，以及沿接收光導的光軸接收的光的k向量在ATR體內(nèi)具有徑向向外定向的分量。只要光導包括光纖，光纖的端面就最好垂直于光纖的光軸分布。在本發(fā)明這種構(gòu)成的進一步構(gòu)成中，發(fā)射光導或接收光導的光軸在套環(huán)內(nèi)各自限 定與錐形或截錐形區(qū)段的軸線平行的下述平面，所述平面相對于中心平面扭轉(zhuǎn)，中心平面通過錐形或截錐形區(qū)段的軸線和各光導的光軸與其端面的交點限定，從而沿發(fā)射光導的光 軸入射的光的k向量在ART體內(nèi)具有切向的分量，或沿接收光導的光軸接收的光的k向量 在ATR體內(nèi)具有切向的分量。利用所稱的構(gòu)成，從發(fā)射光導出發(fā)由ATR體兩次反射的光的最大強度的區(qū)域或表 面中心在光導端面的平面上可以首先徑向向內(nèi)移動。其次，從發(fā)射光導出發(fā)由ATR體兩次 反射的光的強度最大的區(qū)域或者說表面中心在光導端面的平面上也相對于在錐軸線上的 接收光纖的中心對稱而發(fā)生扭轉(zhuǎn)。就此而言的優(yōu)點是，至少在所稱表面中心或最大強度的 區(qū)域，或者至少與其盡可能靠近定位接收光導，該點進行所研究的移動和扭轉(zhuǎn)使與一個發(fā) 射光導相對的位置為另一發(fā)射光導保留。因此，例如可以偶數(shù)對稱地設(shè)置發(fā)射光纖，特別是 四個或者六邊形對稱，其中，六邊形對稱可以達到光導的最大組合密度。在本發(fā)明的進一步構(gòu)成中，發(fā)射光導的端面之間各自設(shè)置接收光導的端面。這一 點意味著，兩個相鄰發(fā)射光導端面的點之間的連接線與接收光導端面相交。在本發(fā)明的進一步構(gòu)成中，發(fā)射光導的端面處于一個圓上，其中，所有接收光導的 至少50%，最好所有接收光導的至少75%，特別是所有接收光導的端面的中心處于該圓內(nèi) 部。按照本發(fā)明的另一種觀點，發(fā)射光導組件包括至少一個發(fā)射光導，其中，由發(fā)射光 導發(fā)射的光在通過ATR體后由兩個或者多個接收光導檢測。 在本發(fā)明的進一步構(gòu)成中，發(fā)射光導和接收光導具有各自一個端面，其與ATR體 的距離至少為空氣中的λ。/2，例如5 μ m，最好至少IOOym和進一步優(yōu)選至少200 μ m。λ0 表示分析處理ATR信號時考慮的最大波長。通過這種距離，防止光導(特別是光導光纖) 與ATR體之間的氣隙中取決于壓力和溫度的干涉導致ATR信號的強度調(diào)制。法布里-珀羅 (Fabry-Perot)效應因此盡可能得到消除。另一方面具有優(yōu)點的是，端面各自到ATR體的距 離不大于該光導的直徑。按照這種方式，限制所發(fā)射的光在氣隙內(nèi)擴散。在本發(fā)明目前優(yōu)選的構(gòu)成中，ATR探針包括套環(huán)，其將發(fā)射光導和接收光導定位， 還包括具有介質(zhì)側(cè)開口以及密封圈的外殼，所述密封圈環(huán)繞介質(zhì)側(cè)開口，其中，ATR體緊貼 在密封圈上并在密封圈與套環(huán)之間被軸向彈性夾緊。彈性特別是可以通過彈性密封圈產(chǎn) 生，或者通過彈性體產(chǎn)生，其在夾緊路徑內(nèi)(也就是傳遞夾緊力的部件的序列中)在套環(huán)遠 離ATR體的背側(cè)上被布置在任意的位置上。發(fā)射光導組件和接收光導組件最好這樣定位和定向，使到達ATR體的緊貼密封圈 的表面區(qū)段上的光對于ATR探針的信號的貢獻少于5%，最好少于2%和進一步優(yōu)選少于1%。ATR體原則上可以包括在所要求的光譜范圍內(nèi)透明并具有足夠大折射率的任意材 料，以便可以在與所研究的介質(zhì)，特別是水狀介質(zhì)的界面上全反射。此外化學耐抗性和磨損 耐抗性是有利的。原則上特別是適合使用ZnSe、金剛石或者藍寶石，或者具有DLC涂層的 Ge，其中，DLC是指類金剛石的碳涂層(按照英語為“Diamond Like Carbon”)。發(fā)射光導和所述接收光導優(yōu)選可以包括光纖，其最好包括鹵化銀、石英、聚合物或 者硫族化物，其在所使用的光的波長范圍內(nèi)具有足夠的透射性。光導與ATR體之間依據(jù)本發(fā)明目前優(yōu)選的構(gòu)成可以取消浸漬介質(zhì)如油或者膠粘 劑。因此那里保留氣隙，但所述氣隙通過控制光導與ATR體之間的距離，不會導致由于干涉的強度調(diào)制。進一步優(yōu)選在探針的全部射程內(nèi)，也就是光源或接收器與光導連接時取消浸 漬介質(zhì)。作為對此的選擇，發(fā)射光導或接收光導可以包括光波導，其具有例如含有鹵化銀 或者Au的內(nèi)涂層。


現(xiàn)借助附圖中所示的實施例對本發(fā)明進行說明。其中圖1示出具有圓錐ATR體的依據(jù)本發(fā)明的ATR探針的原理圖；圖2示出具有圓錐ATR體的依據(jù)本發(fā)明的ATR探針的探針頂端的剖面圖；圖3示出用于具有圓錐ATR體的ATR探針的輻射計算的圓錐ATR體的剖面圖；圖4示出依據(jù)本發(fā)明的實施方式用于在圓錐ATR體下定位的光纖套環(huán)的端面的俯 視圖；圖5示出軸平行發(fā)射光導端面在光纖套環(huán)端面上的投影，采用空氣中0. 25的光導 數(shù)值孔徑，其相應于ATR體材料內(nèi)由光導發(fā)射的光錐的6°的半錐角；圖6示出采用依據(jù)本發(fā)明的ATR探針接收的異丙醇的光譜；以及圖7a示出依據(jù)本發(fā)明的另一構(gòu)成與錐軸線相關(guān)傾斜和扭轉(zhuǎn)的發(fā)射光導端面在光 纖套環(huán)端面上的投影，采用ATR體材料內(nèi)由光導發(fā)射的光錐的Γ的半錐角；圖7b示出依據(jù)本發(fā)明的另一構(gòu)成與錐軸線相關(guān)傾斜和扭轉(zhuǎn)的發(fā)射光導端面在光纖套環(huán)端面上的投影，采用ATR體材料內(nèi)由光導發(fā)射的光錐的6°的半錐 角；以及圖7c示出用于圖7a和7b中的發(fā)射光導組件的從投影中產(chǎn)生的接收光導的定位。
具體實施例方式圖1示出依據(jù)本發(fā)明的ATR探針的原理。光通過在這里為發(fā)射光纖束的發(fā)射光導 束1在ATR體的基底上入射到錐形ATR體中，并在錐體的外殼面上兩次全反射后在ATR體 2的基底上借助在這里為接收光纖束3的接收光導束而射出。光通過從空間上分開的光源輸送光的光導入射且光通過光導向偏離的接收器的 輸出，一方面可以構(gòu)成緊湊的探針頭且另一方面可以有效滿足對防止爆炸的要求。圖2以縱剖面示出依據(jù)本發(fā)明的ATR探針的探針頭結(jié)構(gòu)。作為ATR體2設(shè)置有基 本上錐形的ZnSe晶體，包括錐體基底22上的圓柱體凸緣，其借助彈性0形圈4軸向支承在 圓柱體探針外殼5內(nèi)環(huán)繞端面開口 52的環(huán)繞的密封面51上。通過端側(cè)開口 52，ATR體的 側(cè)面23 —個區(qū)段可以被施加測量介質(zhì)。0形圈4原則上可以是任意介質(zhì)耐抗性和溫度耐抗 性的材料，足夠地，目前優(yōu)選全氟橡膠(Kalrez)。探針外殼5內(nèi)在錐形ATR體的基底側(cè)上設(shè)置光纖套環(huán)6，利用其將光導定位。為此 套環(huán)6具有孔61、63，光纖借助適當?shù)哪z粘劑，例如與光導纖維的材料相容的環(huán)氧樹脂粘貼 到孔內(nèi)，其中，光導纖維特別是具有鹵化銀。出于概覽的原因附圖中未示出光纖。原則上套 環(huán)6的端面64可以直接緊貼在ATR體的基底上，但其中需要注意的是，光纖的端面最好與 ATR體保持足夠的距離，以避免由于Fabry-Perot干涉進行強度調(diào)制。為此可以要么將光纖 的端面與套環(huán)6的端面64相關(guān)回移，要么在光纖的端面64基本上與套環(huán)的端面對齊的情
8況下，套環(huán)6與ATR體之間還設(shè)置有一個隔離架。在這里采用第二種選擇，其中，將旋接環(huán) 7從套環(huán)6的端側(cè)64向套環(huán)6與第一軸向止擋66相對擰在套環(huán)上，以調(diào)整套環(huán)的端面64 與ATR體的基底之間的確定的距離，ATR體利用其基底22的環(huán)形地進行環(huán)繞的邊緣面緊貼 在旋接環(huán)7上。套環(huán)6借助利用螺紋環(huán)54背側(cè)地支承在探針外殼5內(nèi)，其中，螺紋環(huán)54嵌入探針 外殼6壁上的螺紋內(nèi)并緊貼在作為套環(huán)6側(cè)面上的徑向凸起部構(gòu)成的第二軸向止擋67上。套環(huán)此外具有背側(cè)的中心孔68，光導穿過該引導至用于光導定位的各自孔61、 63。套環(huán)原則上可以具有任意造型足夠穩(wěn)定的材料，其與光導或光纖維的材料相容， 其中，目前優(yōu)選聚醚醚酮(PEEK)，因為這樣使得簡單和精確加工成為可能且是成本低廉的， 并且在高溫下仍具有足夠的機械穩(wěn)定性。圖3示出用于測定光學設(shè)計中發(fā)射光導和接收光導位置的圖示。為優(yōu)化具有圓錐ATR體的ATR探針，通過二維輻射計算(Raytracing)計算在各自 具有光源光纖或發(fā)射光導預先規(guī)定位置的接收光纖上的光分布。在此方面，數(shù)字評估光如 何通過ATR體分布和光源光纖或發(fā)射光導和探測光纖或接收光導應如何在光纖套環(huán)內(nèi)組 織，以便可以在探測器上達到盡可能高的光效率并因此還有信號。在這種情況下，應注意幾 個邊緣條件。第一，ATR體圓錐軸線與光源光纖軸線之間大的徑向距離dM，從射束不可忽略的 數(shù)值孔徑NA出發(fā)，會導致光錐通過ATR體內(nèi)的較長光線路徑在到達ATR體的基底用于向接 收光纖內(nèi)輸出的平面上時，分布在過大的面積上。在這種情況下，需要利用非常多的昂貴的 接收光纖工作。就此而言出于成本原因優(yōu)選Cluj保持在最小程度上。第二，圓錐ATR體在制造時在其圓錐頂端上得到例如不超過0. 5mm的小半徑。最 好沒有光射入倒圓的圓錐頂端區(qū)域內(nèi)，因為這種光否則由于ATR效應而丟失。這種光連同 所使用的光導纖維的數(shù)值孔徑NA并因此例如空氣中約15°和ZnSe中6°的向內(nèi)最大輻射 角共同限制dM的最小值。在對于4. 5mm的圓錐半徑優(yōu)化(Iuj時結(jié)果如下在= 1. Omm時光射入倒圓圓錐 頂端的區(qū)域內(nèi)。在dLQ = 2. Omm時光分布到過大面積上，從而會需要過多的接收光纖。第三需要注意的是，最好盡可能少的光線擊中0形環(huán)緊貼的側(cè)面區(qū)域，因為否則 這種光會被0形環(huán)材料吸收。作為結(jié)果在光導軸線軸平行定向情況下，得出Cluj適用數(shù)值例如在0. 210到0. 245 基底半徑之間，最好在0. 220到0. 235基底半徑之間，其中，基底半徑通過圓錐側(cè)面與整個 ATR體，也就是包括圓柱體部分在內(nèi)的基底的平面相交確定。在目前優(yōu)選的構(gòu)成中，dM的數(shù) 值為0. 227基底半徑。在目前優(yōu)選的構(gòu)成中，整體圓錐ATR體直徑9mm并具有Imm高的圓柱體區(qū)段作為 基底，在基底上連接4. 5mm高和90°圓錐角或45°半錐角的圓錐區(qū)段。基底半徑因此為 5.5mm。這種光學結(jié)構(gòu)件由ZnSe制造。圖2示出對光在ATR體的基底上從左下入射的進行 模擬的情形。光線在圓錐的左上反射，到達圓錐右上邊緣并從那里向右下反射到接收光纖 為檢測光而待定位的空間區(qū)域內(nèi)。光導的光線在圖3中作為細線表示。為測定接收光纖的位置，首先計算到達ATR體基底上的光線(圖3中右下)的2D直方圖。2D直方圖通過實粗線表示。該圖示出每個 長度單位到達基底上的光線數(shù)量。這種分布的包絡(luò)線大致相應于均勻的矩形分布。曲線與 矩形分布的尖形偏差在于來自光源的受限制的數(shù)量的光線，這些光線在計算時被考慮。點狀曲線表示簡化的3D模型中到達基底上的光線每個面積單位的分布。在此，采 納2D模型中的光線數(shù)量并通過環(huán)形面元素劃分，從而這種分布向中心集中。接收光導可以這樣定位，使其盡可能有效檢測到達基底上的光。圖4示出考慮上面計算結(jié)果的發(fā)射和接收光導的設(shè)置。為此六個發(fā)射光導11利 用其中心以環(huán)繞圓錐軸的0. 227基底半徑的半徑定位。接收光導相對于發(fā)射光導確定下述 的區(qū)域，在該區(qū)域中足夠大比例的到達基底上的光被檢測。圖5示出光分布的另一個模擬結(jié)果。該結(jié)構(gòu)首先表明圖4中六個發(fā)射光導的位 置。此外示出下述區(qū)域的外部邊緣，從軸平行定向的發(fā)射光導發(fā)射的光錐的光在圓錐側(cè)面 上完成兩次全反射后在基底上到達所述區(qū)域中。在這種情況下，為光錐假設(shè)6°的半錐角。 該結(jié)果基本上證實，依據(jù)圖4的接收光導的定位是適用的并檢測足夠大比例的反射光。圖6最后示出借助ATR探針接收的0. 5重量的異丙醇水溶液的吸收光譜。信噪比 對于商用ATR探針來說極為適用。圖7a_c最后示出對具有圓錐ATR體依據(jù)本發(fā)明的ATR探針另一種構(gòu)成的模擬數(shù) 據(jù)，其中六個發(fā)射光導的端面六邊形對稱設(shè)置在一個圓弧上。在此方面，發(fā)射光導的軸線 徑向向內(nèi)傾斜。此外，與ATR體的圓錐軸平行的平面(發(fā)射光導的傾斜的軸線分布在所述 平面中)相對于相應的軸向平面(該平面由ATR體的圓錐軸線和發(fā)射光導的軸線與發(fā)射光 導端面的交點來限定)扭轉(zhuǎn)。結(jié)果沿光導軸線入射的光的k向量具有徑向向內(nèi)定向和相切 的分量。如果發(fā)射光導軸線例如這樣在套環(huán)內(nèi)定向，使例如入射光軸線在ATR體內(nèi)的傾斜 約為6°且相對于軸向平面的扭轉(zhuǎn)約為40°，那么由光導反射到基面上的光的中心這樣移 動，使輸出的光的中心利用發(fā)射光導的端面以第一近似形成六邊形圖案，其中，中心落到發(fā) 射光導端面之間的缺口上。為識別所要輸出的光中心在ATR體的基底上的位置，為入射的 光錐使用ATR體內(nèi)Γ的半錐角。產(chǎn)生的位置24在圖7a中與發(fā)射光導的端面14共同示 出。圖7b示出在假設(shè)用于入射的光錐的在ATR體內(nèi)6°的半錐角的情況下所要輸出的光 26的分布。從圖7c可以看出接收光導26由此產(chǎn)生的設(shè)置。據(jù)此在圖7a的每個光點上均定位 接收光導的端面，第七接收光導占據(jù)在光導組件的中心內(nèi)的缺口。這種實施方式就此而言 的優(yōu)點是，對于每個發(fā)射光導接收光導以如下方式定位，使環(huán)繞入射光的軸線最大強度的 角度范圍由該一個接收光導檢測。此外，接收光導六邊形，也就是以最密可能的組合設(shè)置， 因此反射光束核心區(qū)域外面出現(xiàn)的光最佳地由相鄰的接收光導檢測。
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權(quán)利要求
ATR探針，用于檢測介質(zhì)的光學特性，所述ATR探針包括整體的ATR體(2)，其具有至少一個能夠被施加介質(zhì)的表面區(qū)段(24)；發(fā)射光導組件(1)，用于將非準直的光入射到所述ATR體(2)內(nèi)；接收光導組件(3)，用于接收通過所述ATR體后的入射光，其中，光通過所述ATR體的過程包括在所述ATR體的接觸介質(zhì)的表面(24)上的至少兩次全反射；其特征在于，用于接收從所述ATR體出來的光的接收光導組件的有效面積以系數(shù)F大于用于將光入射到所述ATR體內(nèi)的所述發(fā)射光導組件的有效面積，其中，F(xiàn)至少為1，優(yōu)選至少為4/3，進一步優(yōu)選至少為3/2且特別優(yōu)選至少為2，以及其中，所述發(fā)射光導組件包括至少兩個發(fā)射光導，且所述接收光導組件包括至少三個接收光導。
2.按權(quán)利要求1所述的ATR探針，其中，所述ATR體(2)包括至少一個具有錐形或截錐 形的表面(24)的區(qū)段，且所述截錐形的表面能夠至少部分地被施加介質(zhì)。
3.按權(quán)利要求2所述的ATR探針，其中，所述ATR體(2)包括圓柱體區(qū)段，所述圓柱體 區(qū)段與所述錐形或截錐形區(qū)段的基底連接。
4.按權(quán)利要求2或3所述的ATR探針，其中，所述ART體具有倒圓的頂端，所述頂端與 所述截錐形區(qū)段連接。
5.按權(quán)利要求1至4之一所述的ATR探針，此外包括套環(huán)(6)和隔離體(7)，借助所述 套環(huán)將所述發(fā)射光導和所述接收光導定位，所述隔離體設(shè)置在所述套環(huán)(6)與所述ATR體 之間，其中，所述隔離體(7)例如包括搭環(huán)。
6.按權(quán)利要求1至5之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導組件包括多個發(fā)射光導 (11 ；14)。
7.按權(quán)利要求6所述的ATR探針，其中，所述光導的端面(11； 14)具有設(shè)置在一個圓 弧上的中心，其中，所述圓弧優(yōu)選以錐軸線作為中心。
8.按權(quán)利要求6或7所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導的端面(11)直接彼此相鄰。
9.按權(quán)利要求6至8之一所述的ATR探針，其中，所述接收光導組件包括多個接收光 導(21)，所述接收光導的端面設(shè)置在一個區(qū)域中，該區(qū)域的最短的封閉分界線環(huán)繞所述發(fā) 射光導(11)的端面的映像，所述映像通過所述發(fā)射光導的端面環(huán)繞錐軸線旋轉(zhuǎn)180°而產(chǎn) 生。
10.按權(quán)利要求9所述的ATR探針，其中，所述接收光導的端面覆蓋所述區(qū)域的面積的 至少20%，最好至少35%和特別優(yōu)選至少50%，所述區(qū)域的最短的封閉分界線環(huán)繞所述發(fā) 射光導的端面的映像，所述映像通過所述發(fā)射光導的端面環(huán)繞所述錐軸線旋轉(zhuǎn)180°而產(chǎn)生。
11.按權(quán)利要求6至8之一所述的ATR探針，其中，所述接收光導組件包括多個接收光 導，所述接收光導的端面設(shè)置在一個區(qū)域中，該區(qū)域的最短的封閉分界線環(huán)繞所述發(fā)射光 導的端面的模擬映像，所述模擬映像是在假設(shè)數(shù)值孔徑不低于0. 1且不超過0. 3的情況下， 通過從所述發(fā)射光導入射到所述ATR體內(nèi)的光的光線路徑在所述ATR體的所述錐形側(cè)面上 兩次全反射并從所述ATR體出來之后在所述接收光導的端面的平面上產(chǎn)生的。
12.按權(quán)利要求11所述的ATR探針，其中，所述模擬映像在假設(shè)空氣中的數(shù)值孔徑不超 過0. 15的情況下產(chǎn)生，并且所述接收光導的端面覆蓋所述區(qū)域的面積的至少20%，優(yōu)選至 少35%和特別優(yōu)選至少50%，所述區(qū)域的最短的封閉分界線環(huán)繞所述發(fā)射光導的端面的模擬映像。
13.按權(quán)利要求2所述的ATR探針，此外包括套環(huán)，借助所述套環(huán)將所述發(fā)射光導和所 述接收光導定位，其中，所述發(fā)射光導或所述接收光導的光軸在所述套環(huán)內(nèi)基本上平行于 所述錐形或截錐形區(qū)段的軸線。
14.按權(quán)利要求2所述的ATR探針，此外包括套環(huán)，借助所述套環(huán)將所述發(fā)射光導和所 述接收光導定位，其中，所述發(fā)射光導以及所述接收光導的光軸在所述套環(huán)內(nèi)各自與所述 錐形或截錐形區(qū)段的軸線相比向著圓錐的軸線傾斜，從而沿發(fā)射光導的光軸射入的光的k 向量在所述ART體內(nèi)具有徑向向內(nèi)定向的分量，以及沿接收光導的光軸接收的光的k向量 在所述ATR體內(nèi)具有徑向向外定向的分量。
15.按權(quán)利要求14所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導和所述接收光導的光軸在所述 套環(huán)內(nèi)各自限定與所述錐形或截錐形區(qū)段的軸線平行的平面，所述平面相對于中心平面扭 轉(zhuǎn)，所述中心平面由所述錐形或截錐形區(qū)段的軸線和各光導的光軸與光導的端面的交點限 定，從而沿所述發(fā)射光導的光軸射入的光的k向量在所述ATR體內(nèi)具有切向的分量，以及沿 接收光導的光軸接收的光的k向量在所述ATR體內(nèi)具有切向的分量。
16.按權(quán)利要求6或7所述的ATR探針，其中，在所述發(fā)射光導的端面之間各自設(shè)置接 收光導的端面。
17.按權(quán)利要求14至16之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導的端面的中心限定 一個圓，并且所有接收光導中的至少一半，優(yōu)選所有接收光導中的至少四分之三，特別是所 有接收光導的中心處于所述圓的內(nèi)部。
18.按前述權(quán)利要求之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導組件包括至少一個發(fā)射 光導，以及其中，由發(fā)射光導發(fā)射的光在通過所述ATR體后由兩個或者多個接收光導檢測。
19.按前述權(quán)利要求之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導和所述接收光導各自具 有一個端面，并且所述端面分別與各自的表面區(qū)段相距，距離至少為空氣中的λο/2，例如 5 μ m,優(yōu)選至少100 μ m和進一步優(yōu)選至少200 μ m，光的光線路徑從所述發(fā)射光導開始通過 所述表面區(qū)段且向所述接收光導延伸。
20.按前述權(quán)利要求之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導和所述接收光導各自具 有一個端面，并且所述端面各自到所述ATR體的距離不大于該光導的直徑。
21.按前述權(quán)利要求之一所述的ATR探針，此外包括套環(huán)，借助所述套環(huán)將所述發(fā)射光 導和所述接收光導定位，還包括具有介質(zhì)側(cè)開口以及密封圈的外殼，所述密封圈環(huán)繞所述 介質(zhì)側(cè)開口，其中，所述ATR體緊貼在所述密封圈上并在所述密封圈與所述套環(huán)之間被軸 向彈性夾緊。
22.按權(quán)利要求21所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導組件和所述接收光導組件被定 位和定向為，使得到達所述ATR體的緊貼所述密封圈的表面區(qū)段上的光對于所述ATR探針 的信號的貢獻少于5 %，最好少于2 %和進一步優(yōu)選少于1 %。
23.按前述權(quán)利要求之一所述的ATR探針，其中，所述ATR體包括ZnSe、金剛石或者藍 寶石，或者具有DLC涂層的Ge。
24.按前述權(quán)利要求之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導和所述接收光導包括光 纖，所述光纖優(yōu)選具有商化銀、石英、聚合物或者硫族化物，商化銀、石英、聚合物或者硫族 化物在所使用的光的波長范圍內(nèi)具有足夠的透射性。
25.按權(quán)利要求1至23之一所述的ATR探針，其中，所述發(fā)射光導或所述接收光導包括 光波導，其具有例如含有鹵化銀或者Au的內(nèi)涂層。
全文摘要
ATR探針包括整體的ATR體(2)，其具有可被施加介質(zhì)的表面區(qū)段(24)；發(fā)射光導組件(1)，用于將非準直的光入射到ATR體(2)內(nèi)；接收光導組件(3)，用于接收通過ATR體后的入射光，其中，光通過ATR體包括在ATR體的接觸介質(zhì)的表面(24)上的至少兩次全反射；其特征在于，用于接收從ATR體出來的光的接收光導組件的面積大于用于將光入射到ATR體內(nèi)的發(fā)射光導組件的面積。ATR體(2)最好包括至少一個具有錐形或截錐形表面(24)的區(qū)段，且截錐形的表面至少可以部分地被施加介質(zhì)。
文檔編號G01N21/55GK101889195SQ200880119157
公開日2010年11月17日 申請日期2008年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年12月4日
發(fā)明者哈孔·米克爾森, 安德烈亞斯·米勒, 帕特里克·亨齊 申請人:恩德萊斯和豪瑟爾測量及調(diào)節(jié)技術(shù)分析儀表兩合公司