DD148254A1

DD148254A1 - OPTICAL ARRANGEMENT FOR CROSSED DISPERSION

Info

Publication number: DD148254A1
Application number: DD21803979A
Authority: DD
Inventors: Joachim Mohr
Original assignee: Joachim Mohr
Priority date: 1979-12-21
Filing date: 1979-12-21
Publication date: 1981-05-13

Abstract

Eine optische Anordnung fuer gekreuzte Dispersion ist insbesondere fuer die Emissionsanalyse bestimmt. Sie dient der Aufzeichnung eines groszen Spektralbereiches mit hoher Aufloesung. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Spalthoehe und damit die Lichtstaerke zu vergroeszern, ohne dasz die Spektrenauswertung dadurch behindert wird. Hierzu werden beide zu jeweils einer Furche gehoerende Flanken eines Echellegitters mit parallelstrahligen Lichtbuendeln beleuchtet, die in Richtung der Furche einen kleinen Winkel miteinander einschlieszen. Ein mit dem Echellegitter ein Dach bildender ebener Reflektor lenkt eines der zunaechst von einem Spalt herkommenden Lichtbuendel um 90 Grad um, so dasz es auf die zweite Flanke trifft.An optical arrangement for crossed dispersion is especially intended for emission analysis. It serves to record a large spectral range with high resolution. It is based on the task of enlarging the gap height and thus the light intensity without obstructing the spectral evaluation. For this purpose, both flanks belonging to a furrow of an echelle lattice are illuminated by parallel-beamed light bulbs, which enclose a small angle with one another in the direction of the furrow. A flat reflector forming a roof with the echelle mesh deflects one of the light bulbs coming from a gap at first 90 degrees so that it meets the second flank.

Description

1&0391 039

Titel; Optische Anordnung für gekreuzte Dispersion Title; Optical arrangement for crossed dispersion

Field of application of the invention;

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung für gekreuzte Dispersion mit einem Echellegitter, das zwei Plankengruppen unterschiedlicher Plankenneigung zur Erzeugung der Hauptdispersion aufweist, und einem Dispersionselement zur Erzeugung der Querdispersion. Sie kommt bei der Simultananalyse einer über mehr als zwei Oktaven reichenden Spektreninformation hoher Auflösung, insbesondere bei der Emissionsspektralanalyse im Bereich von 100 bis 1000 nm zur Anwendung.The invention relates to an optical arrangement for crossed dispersion with an echelle lattice, which has two plank groups of different slope inclination for generating the main dispersion, and a dispersion element for generating the transverse dispersion. It is used in the simultaneous analysis of spectral information of more than two octaves of high resolution, in particular in the emission spectral analysis in the range of 100 to 1000 nm used.

Characteristic of the known technical solutions;

Die bekannten optischen Anordnungen dieser Art verwenden meist die steilen Planken der Furchen eines Echellegitter für die Hauptdispersion.The known optical arrangements of this type usually use the steep planks of the grooves of a Echelle grid for the main dispersion.

Als Hauptdispersion soll dabei und im Folgenden .die Erzeugung vieler Spektrenanordnungen bezeichnet werden, aus denen sich der gesamte zu erfassende Spektralbereich.zusammensetzt. Für die Querdispersion, die Trennung der einzelnen Ordnungen quer zur Hauptdispersionsrichtung, wird grundsätzlich ein Dispersionselement, z.B. ein Prisma, vor dem Echellegitter benutzt, das durchgehend in dem gesamten, zu erfassenden Spektralbereich wirksam ist. Die bekannten optischen Anordnungen für gekreuzte Dispersion haben eine·sehr geringe Eintrittsspalthöhe bzw. Höhe der Spektrenordnung in der Pokalebene und damit einen zu geringen Lichtleitwert. Hingegen nimmt der Abstand der einzelnen Spektrenordnungen voneinander bei Prismenquerdispersion mit den höherenThe main dispersion here and hereinafter shall be the generation of many spectral arrangements that make up the entire spectral range to be acquired. For the transverse dispersion, the separation of the individual orders transversely to the main dispersion direction, a dispersion element, e.g. a prism using echelle gratings that is effective throughout the spectral range to be detected. The known optical arrangements for crossed dispersion have a · very low entrance slit height or height of the spectral order in the cup level and thus too low a light conductance. On the other hand, the distance of the individual spectral orders from one another increases with the higher ones in the case of prism transverse dispersion

35403540

- 2- 21803 9- 2- 21803 9

Spektrenordnungen erheblich ab. Man hat daher schon Prismen oder Prismen-Gitter-Koiübinationen verwendet, um zumindest in einem begrenzten Spektralbereich die Abstände der einzelnen Spektrenordnungen voneinander im wesentlichen konstant -zu halten. Diese Lösung kann jedoch noch nicht zufriedenstellen.Spectra orders considerably. It has therefore been prisms or prism grid Koiübinationen used to keep at least in a limited spectral range, the distances of the individual spectral orders from one another substantially constant. However, this solution is not yet satisfactory.

Außerdem ist zu beachten, daß bei nicht äquidistanten Abstand der Spektrenordnungszeilen voneinander der kleinste Abstand die maximal einstellbare Eintrittsspalthöhe und damit die. Lichtstärke der gesamten, optischen Anordnung bestimmt.In addition, it should be noted that in non-equidistant spacing of the spectral order lines from each other, the smallest distance the maximum adjustable entrance slit height and thus the. Light intensity of the entire optical arrangement determined.

Object of the invention:

Durch die Erfindung sollen die genannten Mängel vermieden und eine optische Anordnung für gekreuzte Dispersion geschaffen werden, mit der es möglich ist, einen großen Spektralbereich bei hoher Nachweisempfindlichkeit an nachgeordneten Empfängern zu erreichen.The invention is intended to avoid the aforementioned deficiencies and to provide a crossed-dispersion optical arrangement with which it is possible to achieve a large spectral range with high detection sensitivity at downstream receivers.

Darlegung des Wesens der Erfindung:Explanation of the essence of the invention:

Aufgabe der Erfindung ist es, die optische Anordnung so auszubilden, daß die Spalthöhe und' damit die Lichtstärke vergrößert werden kann, ohne daß die Pokalebene in Querdispersionrichtung übermäßig ausgedehnt wird und damit an einer Seite der Pokalebene zwischen den Spektrenordnungszeilen große, für die Spektrenaufzeichnung ungenutzte Zonen liegen. Bei . der Anwendung von Plächenempfängern in der Pokalebene muß wegen deren begrenzter Größe die Targetfläche möglichst vollständig genutzt, d.h.» äquidistant mit Spektreninformationen· in Porm von nahe beieinanderliegenden Spektrenordnungszeilen belichtet werden»The object of the invention is to design the optical arrangement so that the gap height and 'thus the light intensity can be increased without the Cup level is extended excessively in Querdispersionrichtung and thus on one side of the cup level between the spectral order lines large unused for spectra recording zones lie. At. Because of their limited size, the use of area receivers in the cup level must make full use of the target area, i.e., be exposed "equidistantly with spectrum information in the form of closely spaced spectral order lines".

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Echellegitter in zwei zueinander geneigten parallelstrahligen Lichtbündeln angeordnet ist und jedes Lichtbündel zu jeweils einer der beiden Plankengruppen im wesentlichen rechtwinklig gerichtet ist. Die Parallelstrahligkeit der According to the invention, the object is achieved in that the Echellegitter is arranged in two mutually inclined parallel beam light bundles and each light beam is directed to each one of the two plank groups substantially at right angles. The parallelism of the

• 3540• 3540

-3- 2 1 ί-3- 2 1 ί

Lichtbündel muß innerhalb der einhaltbaren Toleranzen gewährleistet sein. Die Planken sind zwischen 20° und 70° zur Gitternormalen geneigt. Dadurch kann der gesamte, für die Spektrenregistrierung benötigte Wellenlängenbereich in Teilbereiche zerlegt werden. Die optische Anordnung enthält mindestens zwei Pakalebenen. Pur die. Querdispersion in den einzelnen Pokalebenen können gleiche oder verschiedene Querdispersionselemente (Prismen, Gitter oder deren Kombinationen) verwendet werden. Da die Endwellenlängen der Teilbereiche einen geringeren Abstand voneinander aufweisen als die des gesamten Wellenlängenbereichs verringert sich entsprechend auch die Nichtlinearität im Abstand der Spektrenordnungszeilen voneinander. Wird jedoch die Höhe der Pokalebene beibehalten, so kann die Höhe des verwendeten Lichteintritts-Light beam must be guaranteed within the tolerable tolerances. The planks are inclined between 20 ° and 70 ° to the lattice normal. As a result, the entire wavelength range required for the spectral registration can be broken down into partial areas. The optical arrangement contains at least two packet levels. Pur the. Cross dispersion in the individual cup levels can be used the same or different transverse dispersion elements (prisms, grids or their combinations). Since the end wavelengths of the subregions have a smaller distance from one another than those of the entire wavelength range, the nonlinearity in the distance of the spectral order lines also decreases correspondingly. However, if the height of the cup level is maintained, the height of the light entrance

-j5 spaltes um etwa eine Zehnerpotenz größer sein als bei den bekannten optischen Anordnungen.-j5 gap by about a power of ten be greater than in the known optical arrangements.

Eine im Aufbau vorteilhafte optische Anordnung ergibt sich, wenn dem Echellegitter ein ebenes Reflexionselement zugeordnet ist, beide ein Dach miteinander bilden und eine zumindest annähernd gemeinsame Hauptspiegelungsebene aufweisen. Durch die Querdispersion bedingt, sind die beiden Lichtbündel in der Purchenrichtung des Echellegiters wellenlängenabhängig unterschiedlich geneigtA structurally advantageous optical arrangement results if the Echelle grid is associated with a planar reflection element, both form a roof with each other and have an at least approximately common main mirror plane. Due to the transverse dispersion, the two light bundles in the direction of the echelle lattice are differently inclined in terms of wavelength

Das wird dadurch erreicht, daß beispielsweise das ebsne Reflexionselement als rückflächenverspiegeltes Prisma ausgebildet ist oder daß vor dem Echellegitter und dem ebenen Reflexionselement Prismen oder Gitter in geeigneter Weise angeordnet sind oder daß an Stelle von Kollimatorspiegeln Konkavgitter die Lichtbündel auf das Echellegitter richten. This is achieved in that, for example, the ebsne reflection element is designed as rückflächenverspiegeltes prism or that in front of the echelle mesh and the planar reflection element prisms or grids are arranged in a suitable manner or that direct instead of collimator mirror concave grating the light beam on the echelle mesh.

Durch die Erfindung ist es möglich, den gesamten zu erfassenden Spektralbereich in mindestens zwei sich hinsichtlich der Wellenlänge aneinanderanschließende Teilbereiche zu zerlegen, in denen die,Nichtlinearität des Abstandes der Spektralordnungen voneinander erheblich reduziert ist.By means of the invention it is possible to decompose the entire spectral range to be detected into at least two subregions which adjoin one another with regard to the wavelength, in which the nonlinearity of the distance of the spectral orders from each other is considerably reduced.

35403540

Au sfuhrungsbeispiele;.Example embodiments ;.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below with reference to the schematic drawing. Show it:

. 1 eine erfindungsgemäße optische Anordnung und, 1 shows an optical arrangement according to the invention and

Pig. 2 ein optisches System mit einer erfindungsgemäßen optischen Anordnung in perspektivischer Darstellung. .Pig. 2 shows an optical system with an optical arrangement according to the invention in a perspective view. ,

In Fig. 1 sind ein Echellegitter 1 mit Furchen 2 und Flanken 3; 4 und ein im wesentlichen parallel zur Gitternormalen Ή angeordneter Planspiegel 5 dargestellt. Beide .bilden ein rechtwinklig zur Zeichenebene gerichtetes Dach miteinander und haben eine im wesentlichen parallel zur Zeichenebene angeordnete Hauptspiegelungsebene. Da die Normalen auf-den Gitterflanken 3;4 untereinander zumindest angenähert einen Winkel von 90° einschließen und der Planspiegel 5 unter zum Echellegitter 1 geneigt ist, gelangt ein parallelstrahliges Lichtbündel 6 nach Passieren eines Dispersionselements für die Querdispersion direkt auf die Flanken 3 und ein paral-. lelstrahliges Lichtbündel 8 nach Passieren eines Dispersionselements 9 für die Querdispersion auf die Flanken 4. An den Flanken 3 und 4 erfolgt die Beugung des Lichtes.In Fig. 1, a Echellegitter 1 with grooves 2 and flanks 3; 4 and a substantially parallel to the grid normal Ή arranged plane mirror 5 shown. Both form a roof directed at right angles to the plane of the drawing and have a primary mirroring plane arranged essentially parallel to the plane of the drawing. Since the normals on the lattice edges 3, 4 enclose an angle of at least approximately 90 ° and the plane mirror 5 is inclined below the echelle lattice 1, a parallel beam of light 6 passes directly onto the flanks 3 and a paral after passing through a dispersion element for the transverse dispersion -. light beam 8 after passing a dispersion element 9 for the transverse dispersion on the flanks 4. At the flanks 3 and 4, the diffraction of the light takes place.

In Fig. 2 geht von einem Spall 11 (Eintrittsapertur) ein Lichtbündel 12;18 mit gleichen Wellenlängen aus. Der Spalt befindet sich in der objektseitigen Brennebene z-weier Kollimatoren 13; 14, die die empfangenen Lichtstrahlenbündel 12;18 parallelstrahlig reflektieren. Der Kollimator 13 ist als Hohlspiegel ausgebildet, der Kollimator 14 ein abbildendes Gitter. Dem Kollimator 13 ist ein Echellegitter 15 mit einem" DispeoKLonsprisma 16 nachgeordnet. Dem Kollimator 14 ist ein Planspiegel 17 nachgeordnet. Das vom Kollimator 13 reflektierte parallelstrahlige Lichtbündel 12 gelangt durch das die.Querdispersiori bewirkende Dispersionsprisma 16 auf das Echellegitter 15. Der Kollimator 14 bewirkt die Querdispersion des von ihm reflektierten parallelstrahligen Lichtbündels und reflektiert es über den Planspiegel I7 zu dem die Haupt-2, a light beam 12, 18 with the same wavelengths starts from a spall 11 (entrance aperture). The gap is located in the object-side focal plane z-type collimators 13; 14, which reflect the received light beams 12, 18 in parallel beam. The collimator 13 is designed as a concave mirror, the collimator 14 is an imaging grating. An echelle grating 15 is arranged downstream of the collimator 13 with a plane mirror 16. The parallel-beam light beam 12 reflected by the collimator 13 passes through the dispersion prism 16 causing the transverse dispersion to the echelle grating 15. The collimator 14 effects the collimator 14 Transverse dispersion of the parallel-beam beam reflected by it and reflects it over the plane mirror I7 to which the main beam

35403540

- 5 - 21S03- 5 - 21S03

dispersion bewirkenden Echellegitter 15. Das letztmalig am Echellegitter 15 reflektierte Lichtbündel 12 gelangt nochmals durch das Dispersionsprisma 16, über einen Kameraspiegel 19 zu einer Fokalebene 20 und bildet auf ihr in mehreren Ordnungen 21 einen Teil des zu analysierenden Spektralbereiches ab. In ähnlicher Weise wird das letztmalig am Planspiegel 17 reflektierte Lichtbündel 18 in einer Poaklebene 22 in mehreren Ordnungen 23 übereinander abgebildet. Dabei ist die Abstandsdifferenz der am dichtesten beieinander liegenden Ordnungen in beiden Pokalebenen nahezu gleich.The light beam 12, which is last reflected at the echelle lattice 15, passes again through the dispersion prism 16, via a camera mirror 19 to a focal plane 20 and forms on it in several orders 21 a part of the spectral range to be analyzed. Similarly, the last reflected light beam 18 on the plane mirror 17 is imaged in a Poaklebene 22 in several orders 23 on top of each other. The difference in the distance between the most closely spaced orders in both cup levels is almost the same.

Die Erfindung ist nicht an die Zahl der Kollimatoren und Pokalebenen der Pig. 2 gebunden. Darüber hinaus können die die Querdispersion bewirkenden Mittel entweder den Kollimatoren 13; 14 oder der aus Echellegitter 15 und Planspiegel 17 gebildeten Anordnung zugeordnet sein. Der Kameraspiegel 19 kann auch aus zwei Teilen bestehen.The invention is not related to the number of collimators and cup levels of the pig. 2 bound. In addition, the means for effecting the transverse dispersion may be either the collimators 13; 14 or the arrangement formed from Echellegitter 15 and plane mirror 17 may be assigned. The camera mirror 19 may also consist of two parts.

35403540

Claims

, Invention claim:

An optical arrangement for crossed dispersion having an echelle lattice having two flank groups of different pitch for generating the main dispersion, and having at least one dispersion element for generating the transverse dispersion for each plank group, characterized in that the echelle mesh is arranged in two mutually inclined parallel beam bundles of light and each light beam is directed to each of the two plank groups substantially at right angles.

2. Optical arrangement according to item 1, characterized in that the echelle mesh is associated with a flat reflection element, both form a roof with each other and at least approximately have a common main mirror plane with each other.

3. Optical arrangement according to item 2, characterized in that the two light bundles in the direction of the Echelle grating waveguide are inclined differently.

4. Optical arrangement according to item 2, characterized in that the planar reflection element is a rückflächenverspiegeltes prism or a flat reflection grating.

17. 12. 1979
GB / Kl

For this' // page. drawing

3540

- 'C- f. -i