DE102008050867B4

DE102008050867B4 - Verfahren zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle sowie Spektrometeranordnung

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Publication number: DE102008050867B4
Application number: DE102008050867A
Authority: DE
Inventors: Dr. Herkommer Alois; Holger Münz; Johannes Kraus; Dr. Weigl Bernhard; Dr. Maire Michel le
Original assignee: Carl Zeiss Laser Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 2008-09-30
Filing date: 2008-09-30
Publication date: 2011-12-08
Anticipated expiration: 2028-10-01
Also published as: JP2010085408A; US8289520B2; US20100079765A1; JP5342394B2; DE102008050867A1

Abstract

Verfahren zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle (12; 12'), insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers, mit den Schritten: – Richten eines von der Lichtquelle (12; 12') emittierten Lichtstrahls (64; 64') durch zumindest ein Etalon (16; 16'; 16a, 16b), wobei der Lichtstrahl (64; 64') in einen ersten Teilstrahl (66; 66') und einen zweiten Teilstrahl (68; 68') aufgespalten wird und der erste Teilstrahl (66; 66') n-fach und der zweite Teilstrahl (68, 68') (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) gerichtet wird, wobei n und k natürliche Zahlen ≥ 1 sind; – Richten des n-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen ersten Teilstrahls (66; 66') und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls (68; 68') auf zumindest eine Detektorfläche zumindest eines lichtempfindlichen Detektors (22, 22a', 22b'); – Auswerten der von dem zumindest einen...

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle, insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers.
Die Erfindung betrifft weiterhin eine Spektrometeranordnung zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle, insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers.
Die Messung von Spektren schmalbandiger Lichtquellen setzt die Verwendung hoch auflösender Spektrometer voraus, die entweder auf der Verwendung von großen Gittern oder auf der Verwendung von Etalons basieren.
Derzeit verfügbare Geräte, insbesondere hochauflösende Schelle-Gitter-Spektrometer sind wenig kompakt, sehr teuer und benötigen zur Ermittlung und Korrektur des endlichen spektralen Auflösungsvermögens Lichtquellen mit einer Bandbreite, die deutlich unterhalb der apparativen Auflösung liegt.
Der Einsatz von Gittern erfordert in der Regel entsprechend große Optiken und einen entsprechenden Bauraum, während Etalons im Messbereich begrenzt sind.
Spektrometeranordnungen, die ein Etalon verwenden, und bei denen das Spektrum mit einfachem Durchgang durch das Etalon gemessen werden, genügen den derzeitigen Anforderungen an die spektrale Auflösung nicht.
Es wurde daher vorgeschlagen, beispielsweise in US 6,243,170 B1 , das Spektrum einer schmalbandigen Lichtquelle, beispielsweise eines bandbreiteneingeengten Excimer-Lasers mit doppeltem Durchgang des von der Lichtquelle emittierten Lichts durch ein Etalon zu messen. Mit der aus US 6,243,170 B1 bekannten Spektrometeranordnung, die ein Etalon mit zwei parallelen Platten verwendet, soll eine präzise Messung sowohl der Linienbreite am halben Maximum (Δλ_FWHM) und die Linienbreite bei 95% der Intensität (Δλ_95%) gemessen werden können. Bei einem Verfahren, das ein Etalon im doppelten Durchgang des Lichts verwendet, bestehen jedoch nachteiligerweise sehr hohe Anforderungen an die Homogenität des Plattenabstandes der Platten des Etalons über einen großen Bereich. Diese Geräte bedürfen außerdem der Kalibrierung mit Hilfe einer schmalbandigen Lichtquelle.
Bei der aus US 6,243,170 B1 bekannten Spektrometeranordnung wird das von der Laserlichtquelle kommende Licht durch einen Diffusor gerichtet, der eine Streuung des Lichtes bewirkt. Das gestreute Licht, das entsprechend ein Winkelspektrum aufweist, wird dann durch das Etalon gerichtet, über einen Retroreflektor erneut durch das Etalon gerichtet, und von einem Fotodetektor aufgefangen.
In US 6,359,693 B2 ist ein Verfahren sowie eine Spektrometeranordnung beschrieben, die der vorstehend beschriebenen bekannten Spektrometeranordnung ähnlich ist, mit der Ausnahme, dass die Spektrometeranordnung ein zweites Etalon aufweist, durch das das zweifach durch das erste Etalon gerichtete Licht hindurchtritt, bevor es den Fotodetektor erreicht. Bei dieser Anordnung bestehen sogar noch höhere Anforderungen an die Homogenität des Plattenabstandes der Etalons.
Die Schwierigkeit der hochauflösenden Messung von Spektren schmalbandiger Lichtquellen beruht darauf, dass beim Durchgang des Lichts durch das Etalon die spektrale Funktion mit der Apparatefunktion bzw. Transmissionsfunktion des Etalons gefaltet wird. Beim zweifachen Durchgang des Lichts durch das Etalon ist das wahre Spektrum entsprechend mit dem Quadrat der Transmissionsfunktion bzw. Apparatefunktion des Etalons gefaltet. Zur Auswertung des wahren Spektrums muss daher das vom Detektor aufgenommene Spektrum von der Apparatefunktion bzw. Transmissionsfunktion des Etalons entfaltet werden. Die Entfaltung erfordert die Lösung einer Integralgleichung für die Apparatefunktion bzw. deren Quadrat. Die Apparatefunktion bzw. Transmissionsfunktion des Etalons ist darüber hinaus in der Regel nicht bekannt, und sie kann sich insbesondere während des Betriebs ändern, beispielsweise aufgrund der Änderung der Plattenreflektivität unter Einfluss der UV-Strahlung des Lichts, oder es können Änderungen aus der Abhängigkeit der Auflösung von der Lage der Zentralwellenlänge aufgrund lateraler Inhomogenitäten der Etaloneigenschaften resultieren.
Aus US 5,128,798 ist eine Vorrichtung zur Wellenlängenselektierung von Laserlicht bekannt, die zur Wellenlängenselektion zwei Etalons verwendet, die jeweils eine keilförmige Platte aufweisen, die so angeordnet sind, dass die Keilrichtung der einen Keilplatte gegenüber der Keilrichtung der anderen Keilplatte um 90° gedreht ist. Bei dieser Anordnung tritt das Licht durch beide Keilplatten einmal hindurch und wird dann von einem Detektor aufgefangen. Diese Anordnung kann auch als Spektrometeranordnung verwendet werden. Vor dem Eintritt des Lichts in die erste Keilplatte wird das Licht durch einen akustooptischen Deflektor gerichtet, der das Licht in einer oder beiden Richtungen der Verjüngung der Keilplatten ablenkt.
Aus DE 698 24 021 T2 ist ein Spektrometer bekannt, das als dispersives optisches Element ein Beugungsgitter in Littrow-Anordnung aufweist. Ein von einer Lichtquelle ausgehender Lichtstrahl wird zunächst nach Durchgang durch einen Spalt aufgeweitet, an einem Umlenkspiegel reflektiert, und durch eine Optik auf das Beugungsgitter gerichtet. Der vom Gitter gebeugt zurückreflektierte Lichtstrahl wird an einem Strahlteiler teilweise durchgelassen und teilweise wieder zu dem Gitter zurückreflektiert. Sowohl das nur einmal am Gitter reflektierte Licht als auch das am Gitter mehrfach reflektierte Licht wird über den Umlenkspiegel, einen weiteren Umlenkspiegel und eine Kondensoroptik auf einen Photodetektor gerichtet.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle, insbesondere eines bandbreiten eingeengten Lasers sowie eine Spektrometeranordnung zur Durchführung der Messung anzugeben, mit dem bzw. mit der das Spektrum mit hoher Auflösung gemessen werden kann, während die Spektrometeranordnung selbst möglichst kompakt sein sollte.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle, insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers, mit den Schritten gelöst:

– Richten eines von der Lichtquelle emittierten Lichtstrahls durch zumindest ein Etalon, wobei der Lichtstrahl in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl aufgespalten wird und der erste Teilstrahl n-fach und der zweite Teilstrahl (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon gerichtet wird, wobei n und k natürliche Zahlen ≥ 1 sind;
– Richten des n-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchgetretenen ersten Teilstrahls und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls auf zumindest eine Detektorfläche zumindest eines lichtempfindlichen Detektors;
– Auswerten der von dem zumindest einen Detektor aufgenommenen Spektren des n-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchgetretenen ersten Teilstrahls und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls zur Ermittlung des um die Apparatefunktion des zumindest einen Etalons bereinigten Spektrums des Lichts.

Des Weiteren wird die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe durch eine Spektrometeranordnung zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle, insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers, die einen Lichtstrahl emittiert, gelöst, mit:

– zumindest einem Etalon;
– einem Strahlteiler zum Aufspalten des Lichtstrahls in einen ersten Teilstrahl und einen zweiten Teilstrahl;
– einem oder mehreren optischen Richtelementen zum Richten des ersten Teilstrahls n-fach und des zweiten Teilstahls (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon hindurch, wobei n und k natürliche Zahlen ≥ 1 sind;
– zumindest einem lichtempfindlichen Detektor;
– einer Auswerteeinrichtung zum Auswerten der von dem zumindest einen Detektor aufgenommenen Spektren des n-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchgetretenen ersten Teilstrahls und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls zur Ermittlung des um die Apparatefunktion des zumindest einen Etalons bereinigten Spektrums des Lichts.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Spektrometeranordnung beruhen auf dem Konzept, das von der Lichtquelle emittierte Licht sowohl n-fach als auch (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon hindurchtreten zu lassen und gleichzeitig das Spektrum nach n-fachem und (n + k)-fachem Durchtritt durch das zumindest eine Etalon zu messen. Es werden somit gleichzeitig zwei Spektren aufgenommen, von denen das eine mit der n-fachen Transmissionsfunktion des zumindest einen Etalons gefaltet ist, und das andere mit dem (n + k)-fachen der Transmissionsfunktion. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung wird nur eine Etalonanordnung benötigt, anstelle von zwei Etalonanordnungen, wie in US 6,359,693 B2 beschrieben ist, wodurch die erfindungsgemäße Spektrometeranordnung kompakt ausgebildet ist und wenig Bauraum und auch weniger Justageaufwand erfordert.
Unter einem ”Etalon” im Sinne der vorliegenden Erfindung ist allgemein ein Paar optischer Flächen zu verstehen, zwischen denen Mehrfachreflexionen stattfinden können. Es kann sich hierbei um zwei zueinander zugewandte Oberflächen von Platten handeln, zwischen denen ein Luftraum vorhanden ist, oder um die beiden Oberflächen einer einzelnen Platte. Die ein Etalon bildenden reflektierenden Flächen können zueinander geneigt oder parallel sein. Im Fall, dass ein Etalon aus mehreren Platten aufgebaut ist, kann der Abstand der Platten durchstimmbar oder fest sein. Für die vorliegende Erfindung kommen alle Bauarten von Etalons in Frage.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung besteht in der einfacheren Auswertung des zu messenden Spektrums. Anstelle einer Entfaltung ermöglicht es nämlich das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Anordnung, eine Testfunktion zur Beschreibung der Apparate- bzw. Transmissionsfunktion des zumindest einen Etalons heranzuziehen, die beispielsweise mit dem Spektrum nach (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon einfach gefaltet und mit dem Spektrum nach einfachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon (k + 1)-fach gefaltet wird. Durch Einstellen freier Parameter der Testfunktion kann diese so angepasst werden, bis die beiden zuvor genannten Faltungsprodukte im Wesentlichen gleich sind, d. h. sich die gleichen spektralen Funktionen ergeben. Das zu messende wahre Spektrum ergibt sich dann aus der Entfaltung des Faltungsprodukts von dieser Testfunktion.
In einer bevorzugten Ausgestaltung wird der zweite Teilstrahl einmal mehr durch das zumindest eine Etalon gerichtet als der erste Teilstrahl, d. h. in diesem Fall ist k = 1. In diesem Fall wird der erste Teilstrahl n-fach durch das zumindest eine Etalon gerichtet, und der zweite Teilstrahl (n + 1)-fach.
Weiterhin ist bevorzugt, wenn der erste Teilstrahl einfach durch das zumindest eine Etalon gerichtet wird (n = 1), und der zweite Teilstrahl zweifach (n = 1, k = 1), wodurch die Spektrometeranordnung sehr einfach zu realisieren ist.
In letzterem Fall wird der Lichtstrahl, der von der Lichtquelle kommt, vorzugsweise nach dem Durchgang durch das zumindest eine Etalon in den ersten Teilstrahl und den zweiten Teilstrahl aufgespalten, und der zweite Teilstrahl wird durch das zumindest eine Etalon zurückgerichtet. Der erste Teilstrahl wird dann ohne weiteren Durchgang durch das zumindest eine Etalon auf den Detektor gerichtet, und der zweite Teilstrahl wird entsprechend nach zweifachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon auf den Detektor gerichtet.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann die gleichzeitige Aufnahme des Spektrums nach n-fachem und (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon mit demselben Detektor aufgenommen werden oder mit zwei separaten Detektoren. Wichtig ist nur, dass ein Spektrum nach n-fachem und (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon gleichzeitig gemessen wird. Bevorzugt ist es jedoch sowohl bei dem Verfahren als auch bei der Spektrometeranordnung, das nur ein Detektor vorhanden ist und der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl auf diesen Detektor gerichtet werden bzw. gerichtet sind.
Diese Maßnahme ist im Sinne einer besonders kompakten Bauweise der Spektrometeranordnung von Vorteil und hat in Bezug auf das Verfahren zum Messen eines Spektrums den Vorteil einer genaueren Auswertung des Spektrums, weil Unterschiede in der Detektorempfindlichkeit bei der Verwendung mehrerer Detektoren nicht berücksichtigt werden müssen.
In diesem Zusammenhang ist es bevorzugt, wenn der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl auf unterschiedliche Bereiche einer Detektorfläche des Detektors gerichtet werden.
Diese Maßnahme ermöglicht es, beide Spektren, d. h. das Spektrum nach n-fachem Durchgang durch das Etalon und nach (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon getrennt, jedoch gleichzeitig mit dem gleichen Detektor aufzunehmen.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn der erste Teilstrahl und der zweite Teilstrahl in einer ersten Flächenrichtung der Detektorfläche gegeneinander versetzt und in einer zweiten Flächenrichtung der Detektorfläche mit gleicher Erstreckung auf die Detektorfläche des Detektors gerichtet werden.
Bei der Spektrometeranordnung ist dabei vorzugsweise im Strahlengang des zweiten Teilstrahls ein Strahlaufweitungselement und im Strahlengang des ersten Teilstrahls ein Strahlaufweitungselement, bspw. zumindest ein Prisma, angeordnet, um beide Teilstrahlen mit gleicher Erstreckung in einer Dimension der Detektorfläche auf diese zu richten.
Auch diese Maßnahme trägt zu einer einfacheren Auswertung des zu messenden Spektrums bei, weil insbesondere im Zusammenhang mit der zuvor beschriebenen Testfunktion ein unmittelbarer Vergleich der beiden Spektren nach n-fachem und (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon und die Anpassung der freien Parameter der Testfunktion ermöglicht werden.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren und der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung weist das zumindest eine Etalon einen Keilfehler auf, so dass auf der Detektorfläche ein Spektralbereich von zumindest dem zweifachen Freien Spektralbereich (FSR) erscheint.
Hierbei ist von Vorteil, dass die zu messende Spektrallinie mit ihrem Hauptmaximum von ihren Nebenmaxima deutlich getrennt werden kann.
In weiteren bevorzugten Ausgestaltungen des Verfahrens und der Spektrometeranordnung ist das zumindest eine Etalon aus zwei Planplatten aufgebaut, oder es sind zumindest zwei Etalons vorhanden, die aus zwei Keilen aufgebaut sind, wobei im letzteren Fall die beiden Keile mit ihren Keilrichtungen vorzugsweise um 90° zueinander versetzt ausgerichtet sind.
Die Verwendung von zwei Etalons aus jeweils einem Keil, wobei die beiden Keile mit ihren Keilrichtungen insbesondere um 90° zueinander versetzt ausgerichtet sind, hat den Vorteil, dass eine Durchstimmung der Etalons nicht erforderlich ist, wie es bei einem Etalon der Fall ist, das aus zwei Platten aufgebaut ist. Die beiden Keile haben vorzugsweise einen unterschiedlichen Freien Spektralbereich. Das gemeinsame Durchstimmen der Platten eines aus zwei Planplatten aufgebauten Etalons wird bei Keilen ersetzt durch die Wahl der Orte mit der jeweils entsprechenden Dicke auf beiden Keilplatten. Der Vorteil von Keilplatten besteht daher darin, dass keine Elemente bewegt werden müssen. Wenn die Keilplatten in gekreuzten Richtungen orientiert sind, wie in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, entspricht dem gemeinsamen Durchstimmen die Auswertung einer diagonalen Linie auf dem Detektor. Es versteht sich jedoch, dass die beiden Keilplatten nicht gekreuzt angeordnet sein müssen, sondern parallel ausgerichtet sein können, wobei dann dafür zu sorgen ist, dass die Keilwinkel und Dicken der beiden Keilplatten im richtigen Verhältnis zueinander stehen.
Wie bereits zuvor erwähnt, weist der Schritt des Auswertens der Spektren des ersten Teilstrahls und des zweiten Teilstrahls vorzugsweise folgenden Schritt auf: Falten des Spektrums des ersten Teilstrahls mit der (k + 1)-ten Potenz einer die Apparatefunktion des zumindest einen Etalons näherungsweise beschreibenden Testfunktion und Falten des Spektrums des zweiten Teilstrahls mit derselben Testfunktion und Minimieren der mittleren quadratischen Abweichung zwischen den so erhaltenen Faltungsprodukten durch Ändern zumindest eines freien Parameters der Testfunktion.
Da die Apparate – bzw. Transmissionsfunktion von Etalons dem Einfluss geometrischer Fehler und lateraler Variationen der Reflektivitäten der Schichten unterliegt und nicht durch eine ideale, aus dem physikalischen Prozess ableitbare Funktion beschreibbar ist, hat diese Maßnahme den Vorteil, dass die Apparatefunktion durch eine Testfunktion iterativ angenähert werden kann. Dies wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verfahrens ermöglicht, dass nämlich das Spektrum sowohl nach n-fachem als auch nach (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon gemessen wird. Bei einer Faltung des Spektrums nach n-fachem Durchgang mit der (k + 1)-ten Potenz der Testfunktion und des Spektrums nach (n + k)-fachem Durchgang mit der Testfunktion selbst können die Parameter der Testfunktion so angepasst werden, bis beide Faltungsprodukte identisch sind, bzw. bis die mittlere quadratische Abweichung zwischen den Faltungsprodukten minimal oder sogar null ist.
Vorzugsweise wird das Ändern des zumindest einen freien Parameters iterativ in mehreren Auswertezyklen durchgeführt.
Vorteilhafterweise kann die Testfunktion nach der Messung eines Spektrums abgespeichert werden, so dass bei einer erneuten Messung eines Spektrums einer anderen Lichtquelle die sich beispielsweise durch Änderungen des oder der Etalons ergebenden Änderungen der Apparate- bzw. Transmissionsfunktion sehr rasch durch die Anpassung der freien Parameter der Testfunktion in sehr wenigen Iterationsschritten aufgefunden werden können.
Vorzugsweise wird die gewählte Testfunktion vor Anpassung des zumindest einen freien Parameters anhand der Auswertung von bekannten Spektren mit unterschiedlicher Linienbreite, jedoch gleicher Zentralwellenlänge bestimmt.
Eine Prüfung der Eignung der angenommenen Testfunktion kann auf diese Weise mit hoher Genauigkeit erfolgen, indem nämlich Eingangsspektren unterschiedlicher Breite aber gleicher Zentralwellenlänge zu nahezu gleichen Apparatefunktionen führen müssen und die Entfaltung der Spektren nach einfachem Durchgang und zweifachem Durchgang mit Hilfe der abgeleiteten Apparatefunktion möglichst übereinstimmende Werte für Δλ_FWHM und Δλ_95% ergeben sollte.
Bei der Bestimmung der freien Parameter der Testfunktion ist die erreichbare Qualität nicht durch die Einzelauswertung eines Spektrumpaares der Spektren nach n-fachem und (n + k)-fachem Durchgang durch das zumindest eine Etalon bestimmt, sondern kann mit jedem Auswertezyklus gesteigert werden. Trotz endlicher physikalischer Auflösung kann mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens die effektive Auflösung nahezu auf null gesteigert werden.
Bei der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung werden der Strahlteiler und das oder die Richtelemente vorzugsweise gemeinsam durch einen teildurchlässigen Spiegel gebildet.
Diese Maßnahme trägt weiterhin zur Vereinfachung und insbesondere kompakteren Bauweise der Spektrometeranordnung bei, weil die Aufspaltung des Lichtstrahls in zwei Teilstrahlen und das Richten der beiden Teilstrahlen für einen ein- oder mehrfachen Durchgang durch das zumindest eine Etalon hindurch durch ein optisches Bauelement realisiert werden.
In diesem Zusammenhang ist es weiterhin bevorzugt, wenn der teildurchlässige Spiegel in Bezug zu dem zumindest einen Etalon so ausgerichtet ist, dass die Teilstrahlen das zumindest eine Etalon in zumindest näherungsweise vollständiger Überlagerung zueinander durchtreten.
Hierbei ist von Vorteil, dass die Teilstrahlen, die durch das zumindest eine Etalon hindurchtreten, an derselben Stelle durch das zumindest eine Etalon hindurchtreten. Fehler des oder der Etalons, beispielsweise unterschiedliche Reflektivitäten entlang der Fläche des oder der Etalons oder Passefehler wirken sich dadurch nicht negativ auf die Messung des Spektrums aus.
In einer weiter bevorzugten Ausgestaltung der Spektrometeranordnung ist das zumindest eine Etalon in Bezug auf den Lichtstrahl geringfügig verkippt.
Hierbei ist von Vorteil, dass Reflexe des Lichtstrahls vor dem ersten Durchtritt des zumindest einen Etalons nicht zum Detektor gelangen können, sondern in einer Lichtfalle vernichtet werden können. Eine Verfälschung oder Störung der Messung des Spektrums des Lichts der Lichtquelle wird somit vermieden.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Spektrometeranordnung zum Messen eines Spektrums einer schmalbindigen Lichtquelle gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
2 eine Spektrometeranordnung zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel;
3 zwei Etalons, die aus jeweils einer Keilplatte aufgebaut sind, zur alternativen Verwendung in der Spektrometeranordnung in 1 oder in 2;
4a) und 4b) eine erste Keilplatte der Etalons in 3 (4a)) und ein Interferenzstreifenmuster (4b)), das durch die Keilplatte gemäß 4a) erzeugt wird;
5a) und 5b) eine zweite Keilplatte (5a)) der Etalons in 3 und ein von dieser Keilplatte erzeugtes Interferenzstreifenmuster (5b));
6 ein Interferenzstreifenmuster von Licht nach Durchgang durch die Etalons in 3; und
7a) bis 7c) Interferenzstreifenmuster, die von zwei Etalons erzeugt werden, die jeweils aus einer planparallelen, gegenüber der optischen Achse verkippten Platte aufgebaut sind.
In 1 ist eine mit dem allgemeinen Bezugszeichen 10 versehene Spektrometeranordnung zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle 12 dargestellt. Die Lichtquelle 12 ist insbesondere ein bandbreiteneingeengter Laser, beispielsweise ein bandbreiteneingeengter Excimer-Laser. Das von der Lichtquelle 12 emittierte Licht kann auch über eine Faser der Spektrometeranordnung 10 zugeführt werden.
Die Spektrometeranordnung 10 ist ohne Beschränkung der Allgemeinheit dazu ausgelegt, das von der Lichtquelle 12 emittierte Licht nach einfachem und gleichzeitig nach zweifachem Durchgang durch zumindest ein Etalon zu messen, d. h. in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gilt für die Parameter n und k vorzugsweise: n = 1, k = 1.
Die Spektrometeranordnung 10 weist allgemein einen Kollimator 14, ein Etalon 16, einen Strahlteiler 18, ein optisches Richtelement 20, einen lichtempfindlichen Detektor 22, ferner ein erstes optisches Richtelement 24 und ein zweites optisches Richtelement 26 sowie eine Auswerteeinrichtung 28 auf.
Der Kollimator 14 ist in dem Ausführungsbeispiel als plan-konvexe Linse 30 ausgebildet, deren konvexe Oberfläche 32 einen Krümmungsradius von beispielsweise 500 mm aufweist. Dem Kollimator 14 ist eine Lochblende 34 nachgeordnet, deren Durchtrittsöffnung 36 die Apertur der Spektrometeranordnung 10 bestimmt. Die Apertur ist klein gegenüber der Breite des Lichtstrahls vor der Lochblende.
Das Etalon 16 weist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel zwei Platten 38 und 40 auf, die als planparallele Platten ausgebildet sind. Die Platten 38 und 40 können aber auch keilförmig ausgebildet sein.
Der Strahlteiler 18 und das Richtelement 20 werden in dem gezeigten Ausführungsbeispiel durch ein einziges optisches Element gebildet, das in Form einer Platte 42 ausgebildet ist. Eine Oberfläche 44 der Platte 42 ist als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet, beispielsweise weist die Oberfläche 44 eine Reflektivität von 95% auf. Dies bedeutet, dass von der Platte 42 ein Teil des Lichts durchgelassen wird, und ein anderer Teil zurückreflektiert wird.
In Lichtausbreitungsrichtung gesehen hinter der Platte 42 ist ein Abschwächer 46 angeordnet.
Das erste optische Richtelement 24 ist als Spiegel 48 ausgebildet, dessen Reflektivität vorzugsweise an 100% heranreicht. Der Spiegel 48 ist gegenüber der Lichtausbreitungsrichtung des einfallenden Lichts verkippt, um das einfallende Licht umzulenken.
Das zweite optische Richtelement 26 ist in Form einer Platte 50 ausgebildet, von der eine Oberfläche 52 teilverspiegelt ist, wobei die Reflektivität der Oberfläche 52 beispielsweise etwa 30% beträgt. Die Platte 50 bzw. die Oberfläche 52 ist gegenüber der Ausbreitungsrichtung des auf die Oberfläche 52 einfallenden Lichts verkippt. Dem ersten optischen Richtelement 24 und dem zweiten optischen Richtelement 26 ist in Lichtausbreitungsrichtung gesehen jeweils ein Strahlaufweitungselement 54 bzw. 56 nachgeordnet. Die Strahlaufweitungselemente 54 und 56 sind in dem gezeigten Ausführungsbeispiel als Prismen ausgebildet.
Der Detektor 22 weist eine Detektorfläche 58 auf, die als zweidimensionaler CCD-Sensor ausgebildet ist, und die eine Ausdehnung in einer ersten Flächenrichtung 60 und einer zweiten Flächenrichtung aufweist, die in 1 senkrecht zur Zeichenebene gerichtet ist.
Die Spektrometeranordnung 10 weist ferner eine Lichtfalle 62 auf.
Die Auswerteeinrichtung 28 weist eine nicht näher dargestellte Auswerteelektronik auf.
Nachfolgend wird zunächst ein Verfahren zum Messen eines Spektrums der Lichtquelle 12 beschrieben.
Ein von der Lichtquelle 12 kommender Lichtstrahl 64, der eine gewisse Divergenz besitzt, wird zunächst mittels des Kollimators 14 kollimiert. Der Lichtstrahl 64 tritt dann weiter durch die Lochblende 34 hindurch, um den Lichtstrahl 64 randseitig zu begrenzen. Der Lichtstrahl 64 tritt weiter durch die Platte 50 hindurch und wird durch das Etalon 16 gerichtet. In dem Etalon 16 (Platten 38, 40) finden mehrfache Reflexionen statt, die zu konstruktiven und destruktiven Interferenzen hinter dem Etalon 16 führen. Nachdem der Lichtstrahl 64 durch das Etalon 16 hindurchgetreten ist, trifft der Lichtstrahl 64 auf den Strahlteiler 18, wodurch der Lichtstrahl 64 in einen ersten Teilstrahl 66 und einen zweiten Teilstrahl 68 aufgespalten wird. Dies geschieht dadurch, dass der Lichtstrahl 64 auf die Platte 42 trifft, die als teildurchlässiger Spiegel ausgebildet ist.
Der erste Teilstrahl 66, der also einmal durch das Etalon 16 hindurchgetreten ist, tritt durch den Abschwächer 46 hindurch und wird von dem ersten optischen Richtelement 24 in Richtung zu dem Detektor 22 gerichtet, wobei der erste Teilstrahl 66 durch das Strahlaufweitungselement 54 aufgeweitet wird. Der erste Teilstrahl 66 fällt dann auf die Detektorfläche 58 des Detektors 22 ein.
Der zweite Teilstrahl 68 wird von dem Richtelement 20, das ebenfalls durch die Platte 42 gebildet ist, zurück durch das Etalon 16 gerichtet. Der zweite Teilstrahl 68 tritt somit ein zweites Mal durch das Etalon 16 hindurch und trifft auf das zweite optische Richtelement 26 in Form der teilverspiegelten Platte 50. Von dort wird der zweite Teilstrahl 68 ebenfalls zu der Detektorfläche 58 des Detektors 22 hin gerichtet, wobei der zweite Teilstrahl 68 auf dem Weg von dem zweiten optischen Richtelement 26 zu dem Detektor 22 mittels des Strahlaufweitungselements 56 aufgeweitet wird.
Die Platte 38 des Etalons 16 ist gegenüber dem erstmals einfallenden Lichtstrahl 64 geringfügig verkippt, so dass unmittelbare Rückreflexe, beispielsweise an einer Oberfläche 70 der Platte 38, nicht zu dem Detektor 22 gelangen können, sondern von der Lichtfalle 62 aufgefangen bzw. vernichtet werden.
Auf die Detektorfläche 58 des Detektors 22 fallen somit der erste Teilstrahl 66, der einfach (n = 1) durch das Etalon 16 hindurchgetreten ist, und der zweite Teilstrahl 68, der zweifach (n + k = 2) durch das Etalon 16 hindurchgetreten ist, ein.
Der erste Teilstrahl 66 und der zweite Teilstrahl 68 werden dabei auf unterschiedliche Bereiche der Detektorfläche 58 des Detektors 22 gerichtet. Dazu werden der erste Teilstrahl 66 und der zweite Teilstrahl 68 beispielsweise durch eine entsprechende Ausrichtung des zweiten optischen Richtelements 26 in der zur Flächenrichtung 60 senkrechten Richtung (senkrecht zur Zeichenebene in 1) versetzt gegeneinander auf die Detektorfläche 58 gerichtet.
Auf der Detektorfläche 58 werden somit ein Spektrum des von der Lichtquelle 12 emittierten Lichts nach einfachem Durchgang durch das Etalon 16 und nach zweifachem Durchgang durch das Etalon 16 mit gleicher Erstreckung in Richtung der Flächenrichtung 60, jedoch senkrecht dazu versetzt gegeneinander aufgenommen.
Das Etalon 16 weist dabei einen Keilfehler auf, so dass auf der Detektorfläche 58 ein Spektralbereich von zumindest dem zweifachen Freien Spektralbereich (FSR) des Etalons 16 erscheint.
Mit der Spektrometeranordnung 10 wird somit gleichzeitig das Spektrum des von der Lichtquelle 12 emittierten Lichts nach einfachem Durchgang durch das Etalon 16 und nach zweifachem Durchgang durch das Etalon 16 aufgenommen.
In der Auswerteeinrichtung 28 wird das zu messende „wahre” Spektrum des von der Lichtquelle 12 emittierten Lichts wie folgt ermittelt.
Das nach einfachem Durchgang durch das Etalon 16 aufgenommene Spektrum (Teilstrahl 66) ist das „wahre” Spektrum gefaltet mit der Apparate- bzw. Transmissionsfunktion des Etalons 16. Das Spektrum nach doppeltem Durchgang durch das Etalon 16 (Teilstrahl 68) ist das „wahre” Spektrum gefaltet mit dem Quadrat der Apparate- bzw. Transmissionsfunktion.
Da die Apparatefunktion nicht durch eine ideale, aus dem physikalischen Prozess ableitbare Funktion beschreibbar ist, wird eine Testfunktion herangezogen, die die Apparatefunktion des Etalons 16 näherungsweise beschreibt. Eine solche Testfunktion kann beispielsweise eine Gauß-Lorenz-Funktion sein, die vorzugsweise eine mögliche Asymmetrie der Apparatefunktion beschreiben kann. Die Testfunktion ist weiterhin vorzugsweise so beschaffen, dass sie zumindest einen, vorzugsweise mehrere freie Parameter besitzt, die verändert werden können.
Das Spektrum des ersten Teilstrahls 66 wird nun mit dem Quadrat (allgemein mit der (k + 1)-ten Potenz) dieser Testfunktion gefaltet, und das Spektrum des zweiten Teilstrahls 68 wird mit der Testfunktion selbst gefaltet. Der zumindest eine freie Parameter der Testfunktion wird so angepasst, bis die mittlere quadratische Abweichung zwischen den zuvor beschriebenen Faltungsprodukten minimal wird. Sobald nach Anpassen des zumindest einen freien Parameters die Faltungsprodukte zumindest näherungsweise gleich sind, kann nun das Spektrum nach einfachem Durchgang durch das Etalon 16 (Teilstrahl 66), das mit dem Detektor 22 aufgenommen wurde, durch Lösen einer linearen Integralgleichung entfaltet werden, d. h. es ist nicht erforderlich, Integralgleichungen für das Quadrat der Apparatefunktion zu lösen, um beispielsweise das Spektrum nach doppeltem Durchgang durch das Etalon 16 zu entfalten, wie dies im Stand der Technik erforderlich ist. Die Entfaltung wird mit der wie vorstehend beschrieben ermittelten Testfunktion durchgeführt.
Die Eignung der herangezogenen Testfunktion kann dadurch geprüft werden, dass Eingangsspektren unterschiedlicher Breite (mit jedoch gleicher Zentralwellenlänge) zu nahezu gleichen Apparatefunktionen führen müssen und die Entfaltung der Spektren nach einfachem Durchgang und nach doppeltem Durchgang durch das Etalon mit Hilfe der abgeleiteten Apparatefunktion möglichst übereinstimmende Werte für Δλ_FWHM und Δλ_95% liefern sollte.
Die Anpassung des zumindest einen freien Parameters der Testfunktion wird vorzugsweise iterativ in mehreren Auswertezyklen durchgeführt.
Das Verfahren und die Spektrometeranordnung 10 können auf Variationen der Auflösung reagieren, die beispielsweise aus einer Änderung der Reflektivitäten der Platten 38 und 40 des Etalons 16 unter Einfluss der Lichtstrahlung (insbesondere UV-Strahlung beim Messen von Spektren von Excimer-Lasern) oder aus der Abhängigkeit der Auflösung von der Lage der Zentralwellenlänge (aufgrund lateraler Inhomogenitäten der Etalon-Eigenschaften) resultieren.
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel einer Spektrometeranordnung 10' dargestellt, wobei für die Spektrometeranordnung 10' für gleiche oder vergleichbare Teile die gleichen Bezugszeichen verwendet werden, ergänzt durch einen. Nachfolgend werden nur die Unterschiede der Spektrometeranordnung 10' zur Spektrometeranordnung 10 beschrieben. Auch die Spektrometeranordnung 10' ist hier zum Messen des Spektrums nach einfachem und zweifachem Durchgang des Lichts durch das Etalon 16' ausgelegt.
Die Spektrometeranordnung 10' weist zwei Detektoren 22a' und 22b' auf, wobei das Spektrum des ersten Teilstrahls 66' nach einfachem Durchgang durch das Etalon 16' mittels des Detektors 22a' aufgenommen wird, während das Spektrum des zweiten Teilstrahls 68' nach zweifachem Durchgang durch das Etalon 16' mittels des Detektors 22b' aufgenommen wird.
Das Etalon 16', das in 2 nur schematisch dargestellt ist, kann aus zwei planparallelen oder keilförmigen Platten aufgebaut sein, deren Abstand fest ist, während das Etalon 16' drehbar ist. Die Messung des Spektrums wird dann bei Rotation des Etalons 16' mittels der als Punktdetektoren ausgebildeten Detektoren 22a' und 22b' durchgeführt.
Bei der Spektrometeranordnung 10' bildet die Platte 42' den Strahlteiler 18' zum Aufspalten des durch das Etalon 16' hindurchgetretenen Lichtstrahls 64' in den ersten Teilstrahl 66' und den zweiten Teilstrahl 68', das optische Richtelement 20' zum Zurückrichten des zweiten Teilstrahls 68' durch das Etalon 16' hindurch und das erste optische Richtelement 24' zum Richten des einfach durch das Etalon 16' hindurchgetretenen ersten Teilstrahls 66' auf den Detektor 22a'.
Während sowohl bei der Spektrometeranordnung 10 als auch bei der Spektrometeranordnung 10' das optische Richtelement 20' so orientiert ist, dass sich der Lichtstrahl 64' und der zweite Teilstrahl 68' im Etalon 16' vollständig überlappen, d. h. keinen Versatz zueinander quer zur Lichtausbreitungsrichtung aufweisen, kann ebenso in Betracht gezogen werden, durch geringfügiges Kippen des Richtelements 20 bzw. 20' den Überlapp des Lichtstrahls 64' mit dem zweiten Teilstrahl 68' im Etalon zu variieren, so dass sich eine Vielzahl von Spektrenpaaren nach einfachem und zweifachem Durchgang durch das Etalon 16 bzw. 16' aufnehmen lassen, bei denen die Variation der Spektren nach einfachem und zweifachem Durchgang durch das Etalon 16 bzw. 16' idealerweise nur durch den Versatz der Transmissionskurven von Hin- und Rücklauf bestimmt ist.
Während der Detektor 22' eine zweidimensionale Detektorfläche aufweist, können die Detektoren 22a' und 22b' Detektoren für einen Einkanalbetrieb sein, wobei dann die Spektren nach einfachem und zweifachem Durchgang durch das Etalon 16' durch Drehen des Etalons 16' gemessen werden. Im Einkanalbetrieb besteht der Vorteil, den Nutzbereich des Etalons 16' durch die Lochblende 34' stärker einschränken zu können, wodurch die Anforderungen an die Homogenität des Plattenabstandes des Etalons 16' geringer sind.
Bei der Spektrometeranordnung 10, die einen flächigen Detektor 22 aufweist, können die Spektren nach einfachem und zweifachem Durchgang durch das Etalon 16 dagegen durch eine lineare Variation des Abstandes zwischen den Platten 38 und 40 im Vielkanalbetrieb gemessen werden.
In 3 sind zwei Etalons 16a und 16b dargestellt, die anstelle des Etalons 16 in 1 verwendet werden können. Das Etalon 16a weist eine Platte 38a und das Etalon 16b eine Platte 40b auf, die jeweils als Keilplatte ausgestaltet sind.
Gemäß 3 weist die Platte 38a eine Verjüngung (Keilrichtung) in Richtung eines Pfeils 72 auf, und die Platte 40b weist eine Verjüngung (Keilrichtung) in Richtung eines Pfeils 74 auf. Ein Pfeil 76 deutet die Richtung der Lichtausbreitung durch die Etalons 16a, 16b hindurch an. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel gemäß 3 werden die beiden Platten 38a und 40b der Etalons 16a, 16b so angeordnet, dass ihre Keilrichtungen (Pfeile 72 und 74) senkrecht zueinander stehen.
Die Platten 38a und 40b besitzen weiterhin einen unterschiedlichen freien Spektralbereich (FSR).
Im Falle eines Etalons, das aus zwei planparallelen Platten aufgebaut ist, die jeweils einen unterschiedlichen freien Spektralbereich (FSR) aufweisen, wird ein großer Messbereich bei gleichzeitig guter Auflösung erreicht. Im Falle eines Etalons, das aus zwei planparallelen Platten aufgebaut ist, wird die Dicke beider Platten gleichzeitig so abgestimmt, dass die Transmissionsmaxima bei einer bestimmten Wellenlängen zusammenfallen, und anschließend wird die Dicke beider Platten so durchgestimmt, dass sich das gemeinsame Transmissionsmaximum verschiebt, um das Spektrum abzutasten. Hierbei muss das Zusammenfallen der Transmissionsmaxima durch geeignete Kalibrierung sichergestellt werden. Die kombinierte Transmissionsfunktion beider Platten hat die schmale Halbwertsbreite der „feineren” Platte und den freien Spektralbereich der „groben” Platte.
Im Fall der Etalons 16a, 16b, die aus jeweils einer gekreuzten keilförmige Platte 38a, 40b aufgebaut sind, die jeweils einen unterschiedlichen freien Spektralbereich aufweisen, wird dasselbe Prinzip vorteilhafterweise ohne Durchstimmen der beiden Platten verwirklicht. Dies wird nachfolgend in Bezug auf 4 bis 6 beschrieben.
4a) zeigt die keilförmige Platte 38a des Etalons 16a in Alleinstellung. Die Platte 38a weist einen gegenüber der Platte 40b großen freien Spektralbereich, beispielsweise 20 pm auf. Die Platte 38a transmittiert eine bestimmte Wellenlänge λ nur auf horizontalen Interferenzstreifen 78, 80, die einen Abstand des freien Spektralbereichs, hier also beispielsweise 20 pm aufweisen.
5a) zeigt die zweite keilförmige Platte 40b des Etalons 16b in Alleinstellung, wobei die Platte 40b einen freien Spektralbereich aufweist, der kleiner ist als der freie Spektralbereich der Platte 38a. Der freie Spektralbereich der Platte 40b beträgt beispielsweise 3 pm. In der Orientierung gemäß 5a) transmittiert die Platte 40b eine bestimmte Wellenlänge λ nur auf vertikalen Interferenzstreifen 82 bis 90 hindurch, die einen Abstand des freien Spektralbereichs voneinander aufweisen, hier also beispielsweise 3 pm.
Beide Platten 38a und 40b gemeinsam transmittieren in ihrer hintereinander angeordneten Anordnung gemäß 3 eine bestimmte Wellenlänge λ nur noch an den Schnittpunkten der Interferenzstreifen 78, 80 mit den Interferenzstreifen 82 bis 90, an denen die Transmissionsmaxima also zusammenfallen. Dies ist in 6 dargestellt.
Gemäß 6 fallen die Transmissionsmaxima an den Punkten maximaler Intensität der beiden Platten 38a und 40b zusammen. Im Unterschied zu durchstimmbaren Etalons, die aus planparallelen Platten ohne Keil aufgebaut sind, ist keine vorherige Kalibrierung erforderlich.
Die Auswertung des Punktmusters gemäß 6 erfolgt in der Richtung, in der die Dicke beider Platten 38a und 40b zu- oder abnimmt, und nicht senkrecht dazu, damit die Verstimmung der beiden Platten 38a, 40b mit gleichem Vorzeichen erfolgt. Die genaue Richtung der Auswertung ergibt sich aus der Bedingung, dass die Transmissionsmaxima weiterhin zusammenfallen sollen, die Dickenänderung muss also proportional zur Dicke der beiden Platten 38a, 40b selbst sein. Falls das Verhältnis der Plattendicken bzw. der freien Spektralbereiche ein Ganzzahliges ist, lässt sich die genaue Richtung durch „Abzählen” der Maxima in beiden Achsen bestimmen.
Das Etalon 16 in 1 kann auch aus planparallelen, gegenüber der Lichtausbreitungsrichtung verkippten Platten aufgebaut sein. Auch hier weist die eine Platte einen großen freien Spektralbereich und die andere Platte einen kleinen freien Spektralbereich auf. Da das durch die beiden Platten hindurchgehende Licht eine gewisse Winkeldivergenz aufweist, bestehen die Interferenzmuster nach dem Durchgang durch die erste planparallele Platte mit großem freien Spektralbereich aus Ringen, deren Abstand dem freien Spektralbereich dieser Platte entspricht (vgl. 7a), und beim Durchgang des Lichts durch die zweite planparallele Platte in Alleinstellung ergibt sich ein Ringmuster, wie es in 7b) dargestellt ist, wobei die Abstände der Ringe entsprechend des kleineren freien Spektralbereichs kleiner sind als bei der vorstehend genannten Platte. Nach Durchgang des Lichts durch beide planparallele Platten in Hintereinanderanordnung ergibt sich ein Punktmuster, wie es in 7c) dargestellt ist. Wird in das Punktbild ein entsprechender Schnitt gelegt, so ist dieser Schnitt im Allgemeinen keine Gerade wie bei den zuvor beschriebenen keilförmigen Platten, sondern ein Abschnitt einer hyperbelähnlichen Funktion.
Im Fall, dass das Etalon 16 aus planparallelen Platten aufgebaut ist, kann der Lichtstrahl anstatt kollimiert mit einem Winkelspektrum durch das Etalon gerichtet werden.
Der Aufbau der Etalons 16a, 16b mit keilförmigen Platten 38a und 40b erfordert einen möglichst gut kollimierten Strahl, wozu in den Spektrometeranordnungen 10 und 10' der Kollimator 14 bzw. 14' vorgesehen ist. Zum einen ist die Transmissionskurve des oder der Etalons nämlich bei schrägem Durchtritt zu anderen Werten verschoben, und zum anderen laufen die Lichtstrahlen nach dem Durchtritt durch das oder die Etalons in leicht verschiedene Richtungen.

Claims

Verfahren zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle (12; 12'), insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers, mit den Schritten: – Richten eines von der Lichtquelle (12; 12') emittierten Lichtstrahls (64; 64') durch zumindest ein Etalon (16; 16'; 16a, 16b), wobei der Lichtstrahl (64; 64') in einen ersten Teilstrahl (66; 66') und einen zweiten Teilstrahl (68; 68') aufgespalten wird und der erste Teilstrahl (66; 66') n-fach und der zweite Teilstrahl (68, 68') (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) gerichtet wird, wobei n und k natürliche Zahlen ≥ 1 sind; – Richten des n-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen ersten Teilstrahls (66; 66') und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls (68; 68') auf zumindest eine Detektorfläche zumindest eines lichtempfindlichen Detektors (22, 22a', 22b'); – Auswerten der von dem zumindest einen Detektor (22, 22a', 22b') aufgenommenen Spektren des n-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen ersten Teilstrahls (66; 66') und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls (68; 68') zur Ermittlung des um die Apparatefunktion des zumindest einen Etalons (16; 16'; 16a, 16b) bereinigten Spektrums des Lichts.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei k = 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei n = 1 ist.
Verfahren nach Anspruch 3, wobei der Lichtstrahl (64; 64') nach dem Durchgang durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) in den ersten Teilstrahl (66, 66') und den zweiten Teilstrahl (68; 68') aufgespalten wird und der zweite Teilstrahl (68, 68') durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) zurückgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Lichtstrahl (64; 64') kollimiert wird, bevor er durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) gerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei nur ein Detektor (22) vorhanden ist und der erste Teilstrahl (66) und der zweite Teilstrahl (68) auf diesen Detektor (22) gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei der erste Teilstrahl (66) und der zweite Teilstrahl (68) auf unterschiedliche Bereiche einer Detektorfläche (58) des Detektors (22) gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei der erste Teilstrahl (66) und der zweite Teilstrahl (68) in einer ersten Flächenrichtung der Detektorfläche gegeneinander versetzt und in einer zweiten Flächenrichtung (60) der Detektorfläche (58) mit gleicher Erstreckung auf die Detektorfläche (58) des Detektors (22) gerichtet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das zumindest eine Etalon (16; 16') einen Keilfehler aufweist, so dass auf der Detektorfläche ein Spektralbereich von zumindest dem zweifachen Freien Spektralbereich (FSR) erscheint.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das zumindest eine Etalon (16; 16') aus zwei Planplatten (38, 40) oder Keilplatten aufgebaut ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Lichtstrahl (64; 64') durch zumindest zwei Etalons (16a, 16b) gerichtet wird, die aus jeweils einem Keil (38a, 40b) aufgebaut sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die beiden Keile (38a, 40b) mit ihren Keilrichtungen um 90° zueinander versetzt ausgerichtet sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Schritt des Auswertens der Spektren des ersten Teilstrahls (66; 66') und des zweiten Teilstrahls (68; 68') folgenden Schritt aufweist: Falten des Spektrums des ersten Teilstrahls (66; 66') mit der (k + 1)-ten Potenz einer die Apparatefunktion des zumindest einen Etalons (16; 16'; 16a, 16b) näherungsweise beschreibenden Testfunktion und Falten des Spektrums des zweiten Teilstrahls (68; 68') mit derselben Testfunktion und Minimieren der mittleren quadratischen Abweichung zwischen den so erhaltenen Faltungsprodukten durch Ändern zumindest eines freien Parameters der Testfunktion.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei das Ändern des zumindest einen freien Parameters iterativ in mehreren Auswertezyklen durchgeführt wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die gewählte Testfunktion vor Anpassung des zumindest einen freien Parameters anhand der Auswertung von bekannten Spektren mit unterschiedlicher Linienbreite, jedoch gleicher Zentralwellenlänge bestimmt wird.
Spektrometeranordnung zum Messen eines Spektrums einer schmalbandigen Lichtquelle (12; 12'), insbesondere eines bandbreiteneingeengten Lasers, die einen Lichtstrahl (64; 64') emittiert, mit: – zumindest einem Etalon (16; 16'; 16a, 16b); – einem Strahlteiler (18; 18') zum Aufspalten des Lichtstrahls (64; 64') in einen ersten Teilstrahl (66; 66') und einen zweiten Teilstrahl (68; 68'); – einem oder mehreren optischen Richtelementen (20; 20') zum Richten des ersten Teilstrahls (66; 66') n-fach und des zweiten Teilstrahls (68, 68') (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurch, wobei n und k natürliche Zahlen ≥ 1 sind; – zumindest einem lichtempfindlichen Detektor (22; 22a', 22b'); – einer Auswerteeinrichtung (28; 28') zum Auswerten der von dem zumindest einen Detektor (22; 22a', 22b') aufgenommenen Spektren des n-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen ersten Teilstrahls (66; 66') und des (n + k)-fach durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) hindurchgetretenen zweiten Teilstrahls (68; 68') zur Ermittlung des um die Apparatefunktion des zumindest einen Etalons (16; 16'; 16a, 16b) bereinigten Spektrums des Lichts.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 16, wobei k = 1 ist.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 16 oder 17, wobei n = 1 ist.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 18, wobei der Strahlteiler (18; 18') von der Lichtquelle (12; 12') aus gesehen hinter dem zumindest einen Etalon (16; 16'; 16a, 16b) angeordnet ist, und das zumindest eine Richtelement ein Rückrichtelement (20; 20') ist, das den zweiten Teilstrahl (68; 68') durch das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) zurückrichtet.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 19, weiterhin mit einem Kollimator (14; 14') zum Kollimieren des von der Lichtquelle (12; 12') kommenden Lichtstrahls (64; 64').
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 20, wobei nur ein Detektor (22) vorhanden ist, auf den der erste und der zweite Teilstrahl (66, 68) gerichtet sind.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 21, wobei im Strahlengang des zweiten Teilstrahls (68) ein Strahlaufweitungselement (56) und im Strahlengang des ersten Teilstrahls (66) ein Strahlaufweitungselement (54) angeordnet ist, um beide Teilstrahlen (66, 68) mit gleicher Erstreckung in einer Dimension einer Detektorfläche (58) des Detektors (22) auf diese zu richten.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 22, wobei der Strahlteiler (18, 18') und das oder die Richtelemente (20, 20') gemeinsam durch einen teildurchlässigen Spiegel (42; 42') gebildet werden.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 23, wobei der teildurchlässige Spiegel (42; 42') in Bezug zu dem zumindest einen Etalon (16; 16'; 16a, 16b) so ausgerichtet ist, dass die Teilstrahlen (66; 66'; 68; 68') das zumindest eine Etalon (16; 16'; 16a, 16b) in zumindest näherungsweise vollständiger Überlagerung zueinander durchtreten.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 24, wobei das zumindest eine Etalon (16; 16') in Bezug auf den Lichtstrahl (64; 64') geringfügig verkippt ist.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 25, wobei das zumindest eine Etalon (16; 16') einen Keilfehler aufweist, so dass auf dem Detektor (22; 22a', 22b') ein Spektralbereich von zumindest dem zweifachen Freien Spektralbereich (FSR) erscheint.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, wobei das zumindest eine Etalon (16; 16') aus zwei Planplatten (38, 40) aufgebaut ist.
Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 16 bis 26, wobei zumindest zwei Etalons (16a, 16b), die aus jeweils einem Keil (38a, 40b) aufgebaut sind, vorgesehen sind.
Spektrometeranordnung nach Anspruch 28, wobei die beiden Keile (38a, 40b) mit ihren Keilrichtungen um 90° zueinander versetzt ausgerichtet sind.