Patent DE10 2004 037 519 B4 “Sensor Process and Device for Determining a Physical Value“. A Proof of Concept

At present, a fraction of 0.1 - 0.2% of the patients undergoing surgery become aware during the process. The situation is referred to as anesthesia awareness and is obviously very traumatic for the person experiencing it. The reason for its occurrence is mostly an insufficient dosage of the narcotic Propofol combined with the incapability of the technology monitoring the depth of the patient’s anesthetic state to notice the patient becoming aware. A solution can be a highly sensitive and selective real time monitoring device for Propofol based on optical absorption spectroscopy. Its working principle has been postulated by Prof. Dr. habil. H. Hillmer and formulated in DE10 2004 037 519 B4, filed on Aug 30th, 2004. It consists of the exploitation of Intra Cavity Absorption effects in a two mode laser system. In this Dissertation, a two mode external cavity semiconductor laser, which has been developed previously to this work is enhanced and optimized to a functional sensor. Enhancements include the implementation of variable couplers into the system and the implementation of a collimator arrangement into which samples can be introduced. A sample holder and cells are developed and characterized with a focus on compatibility with the measurement approach. Further optimization concerns the overall performance of the system: scattering sources are reduced by re-splicing all fiber-to-fiber connections, parasitic cavities are eliminated by suppressing the Fresnel reflexes of all one fiber ends by means of optical isolators and wavelength stability of the system is improved by the implementation of thermal insulation to the Fiber Bragg Gratings (FBG). The final laser sensor is characterized in detail thermally and optically. Two separate modes are obtained at 1542.0 and 1542.5 nm, tunable in a range of 1nm each. Mode Full Width at Half Maximum (FWHM) is 0.06nm and Signal to Noise Ratio (SNR) is as high as 55 dB. Independent of tuning the two modes of the system can always be equalized in intensity, which is important as the delicacy of the intensity equilibrium is one of the main sensitivity enhancing effects formulated in DE10 2004 037 519 B4. For the proof of concept (POC) measurements the target substance Propofol is diluted in the solvents Acetone and DiChloroMethane (DCM), which have been investigated for compatibility with Propofol beforehand. Eight measurement series (two solvents, two cell lengths and two different mode spacings) are taken, which draw a uniform picture: mode intensity ratio responds linearly to an increase of Propofol in all cases. The slope of the linear response indicates the sensitivity of the system. The eight series are split up into two groups: measurements taken in long cells and measurements taken in short cells.

Absorptionsspektrometrie in der Kavität eines Halbleiterlasers unter Ausnutzung der Modenkonkurrenz zwischen zwei Moden

Motivation dieser Arbeit ist die Idee, ein höchst sensitives und selektives Spektroskop, welches gleichzeitig robust ist, auf Basis von Halbleiterlasern zum Einsatz in der Atemgasdiagnostik zu entwickeln. Technische Grundlage ist die Idee, die Probe innerhalb des Laserresonators zu vermessen (sogenannte intra cavity absorption spectroscopy, ICAS). Im speziellen soll durch die Verwendung des relativen Intensitätsrauschens zur Messwertbestimmung und die Verwendung von nur zwei Moden statt der sonst für ICAS verwendeten multimodigen Laser, die Empfindlichkeit erhöht, sowie die Messwerterfassung vereinfacht werden. Die Probe im Laserresonator zu Messen, hat den Vorteil, dass durch die multiple Hin­ und Rückreflektion die wirksame Pfadlänge durch die Probe vervielfacht wird. Dabei werden Verluste an den Resonatorspiegeln durch die Verstärkung der aktiven Zone des Lasers kompensiert. Außerdem wird durch die Konkurrenz der Moden um die idealerweise homogen verbreiterte Verstärkung im Laser die Empfindlichkeit noch einmal bedeutend erhöht. Schon eine geringe Absorption bei einer bestimmten Wellenlänge wird die Intensität des betroffenen Modes zugunsten der anderen Moden verringern. Die Arbeit beschäftigt sich zum einen mit der spektroskopischen Untersuchung zwei- er für die Atemgasdiagnostik relevanter Stoffe, Aceton und das in der Anästhesie häufig eingesetzte Propofol, um das Umfeld, in dem der Laser Verwendung finden soll, zu beleuchten. Diese Untersuchungen flossen in die Entwicklung des später zum Sensor auszubauenden Lasers ein. Für den Laser wurden in der Telekommunikation übliche, glasfaserbasierte, robuste Standardbauteile wie ein optischer Halbleiterverstärker (semiconductor optical amplifier, SOA), Faserkoppler und Faser­Bragg­Gitter verwendet. Die Bauteile wurden charakterisiert. Teilaspekte des Aufbaus wurden mit der Software CAMFR simuliert. Schließlich wurde der Laser als solcher aufgebaut und charakterisiert. Das Ziel der Zweimodigkeit, in einem Intervall von 2 nm durchstimmbar, konnte erreicht werden. An einem vom Heinrich­Hertz­Institut in Berlin entwickelten zweimodigen Halbleiterlasers wurden Untersuchungen der Idee zur Vereinfachung der Messwerterfassung mittels relativen Intensitätsrauschens (relative intensity noise, RIN) durchgeführt. Als Messgröße stellt das RIN die Amplituden der Intensitätsschwankungen des Lasers gegen die Frequenzen der Intensitätsschwankungen als Rauschspektrum dar. Es konnte nachgewiesen werden, dass das Rauschspektrum charakteristisch für das Oszillationsverhalten des Lasers ist.

Hochsensible Intrakavitäts-Absorptionsspektroskopie von Spurengasen unter Ausnutzung der Modenkonkurrenz eines Halbleiterlasers

Eine Halbleiterdiode mit externer Kavität wird um eine Messzelle speziell für Gase erweitert. Diese erlaubt Absorptionsmessungen einer exakt definierten Menge von Gas unter kontrollierten Temperatur- und Druckbedingungen. Es werden konzentrationsabhängige Absorptionsmessungen mit Propofol durchgeführt. Als Ergebnis werden effektive Pfadlänge, Bestimmungs- und Nachweisgrenze berechnet und der Beweis erbracht, dass beide im System anschwingenden Moden in Konkurrenz zueinander stehen. Weiterhin wurde eine ausgeprägte Instabilität von Propofol gegenüber einer großen Anzahl von Werkstoffen entdeckt.

Intrakavitäts-Absorptionsspektroskopie von Spurengasen mit hoher Sensitivität und Selektivität auf Basis konkurrierender Moden eines Halbleiterlasers

Die Validität des Sensorkonzeptes aus dem Patent von Prof. H. Hillmer wird unter Verwendung einer gasförmigen Testsubstanz gezeigt. Zu diesem Zweck wird ein bestehender Messaufbau durch zahlreiche Verbesserungen optimiert. Die optischen Eigenschaften der verwendeten Komponenten und der resultierenden modifizierten Aufbauten werden dargelegt. Die bisherigen faserbasierter Messaufbauten werden zu einem symmetrischen Messaufbau mit verbesserter spektraler Auflösung und vereinfachter Handhabung erweitert. Die Vorlaufzeiten, die zuvor ein maßgebliches Problem darstellte, wurde deutlich reduziert. Die spektralen Eigenschaften des überarbeiteten Lasersystems werden detailliert erfasst und dargestellt. Der asymmetrische Messaufbau erreicht minimale Halbwertsbreiten von 0,04 ± 0,02 nm, bei einem Seitenmodenunterdrückungsverhältnis von 26,9 ± 0,9 dB und weist einen Schwellstrom von 361,55 mA auf. Der symmetrische Aufbau erreicht Halbwertsbreiten von 0,04 ± 0,02 nm, ein Seitenmodenunterdrückungsverhältnis von 49,45 ± 0,05 nm und weist einen Schwellstrom von 261,25 mA auf. Durch die Erweiterung des Systems zum symmetrischen Messaufbau wird es möglich, die Positionen der Wellenlängen frei zu wählen, wohingegen im asymmetrischen Messaufbau die Wellenlänge der äußeren Kavität immer näher am Maximum der Verstärkungskurve des SOA gewählt werden muss. Mit beiden System werden Messungen mit unterschiedlichen Stoffmengen von Acetylen mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Laserlinien durchgeführt. Obwohl eine vergleichsweise schwache Absorptionslinie von Acetylen für die Messungen gewählt wurde, zeigen beide Systeme eine instantane Änderung der Intensitäten der Laserlinien bei einer Änderung der Stoffmenge im Resonator. Die Laserlinie, die von der Absorption von Acetylen betroffen ist, nimmt ab, wohingegen die Intensität der zweiten Laserlinie zunimmt. Es wird erstmals gezeigt, dass eine Leistungsübertragung zwischen den Laserlinien stattfindet. Die Reaktion beider Systeme ist stark vom Abstand der Laserlinien zueinander abhängig, wodurch eine genaue Bestimmung der Sensitivität nicht durchgeführt wird.