DE102015108818A1

DE102015108818A1 - Anordnung zur Spektroskopie und Verfahren zur Herstellung der Anordnung

Info

Publication number: DE102015108818A1
Application number: DE102015108818.5A
Authority: DE
Inventors: Daniel Thomae; Robert Brunner
Original assignee: Carl Zeiss Spectroscopy GmbH
Current assignee: Carl Zeiss Spectroscopy GmbH
Priority date: 2015-06-03
Filing date: 2015-06-03
Publication date: 2016-12-08
Anticipated expiration: 2035-06-04
Also published as: DE102015108818B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Spektroskopie, insbesondere zur hochauflösenden Echelle-Spektrometrie, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung. Die Aufgabe, eine neue Möglichkeit zur Spektroskopie zu finden, die hohe spektrale Auflösung und hohe Stabilität der spektroskopischen Anordnung bei kompaktem Aufbau und geringem Justageaufwand erzielt, wird in einem Spektroskop mit Zwei-Gitter-Dispersion gelöst, indem mindestens das erste Gitter (41) ein Blaze-Gitter ist, das zweite Gitter (42) in das erste Gitter (41) integriert ist, wobei die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) in die Blaze-Flanke (45) des ersten Gitters unter einem Winkel quer zum ersten Gitter (41) eingebracht ist, sodass ein kombiniertes Kreuzgitter vorhanden ist, wobei die Gitterstruktur des ersten Gitters (41) eine mindestens doppelt so große Periode (pH) wie das zweite Gitter (42) einen Blaze-Winkel (α) aufweist, bei dem in mindestens eine höhere Beugungsordnung (Hi) effizient gebeugt wird, und das zweite Gitter (42) so bemessen ist, dass zumindest für einen Teil des zu erfassenden Spektralbereichs überwiegend in eine niedrige Beugungsordnung (Qk) gebeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Spektroskopie, bei der ein mittels eines Eintrittsspalts begrenztes einfallendes Lichtbündel auf ein erstes Gitter zur spektralen Zerlegung des Lichtbündels in sich überlappende Spektren höherer Beugungsordnung gerichtet ist und ein zweites Gitter zur dispersiven Aufspaltung der überlappenden Spektren der Zerlegung des ersten Gitters vorhanden ist, insbesondere zur hochauflösenden Echelle-Spektroskopie oder für Echelle-Spektrometer, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Anordnung.
Zur spektrometrischen Untersuchung von Proben (z. B. in der Pharmazie, Biotechnologie, Chemie, Glas- und Solarindustrie, Lebensmittelherstellung etc.) werden Spektrometermodule benötigt, die von einer Probe stammendes Licht mithilfe eines dispersiven Elements (Gitter, Prisma, ...) in seine Spektralfarben zerlegen. Die nachfolgende Verwendung des Begriffes „Licht“ steht in diesem Zusammenhang für optische elektromagnetische Strahlung, die auch Spektralbereiche umfasst, die dem menschlichen Auge nicht zugänglich sind, und insbesondere den ultravioletten und den infraroten Spektralbereich mit einschließt, sodass mindestens der Bereich von 150 nm bis 20 µm darunter subsumiert sein soll.
Je nach Anwendungsfeld sind bei der Auswahl eines geeigneten Spektralsensors verschiedene Kriterien zu beachten:

– Bandbreite (zugängliches Wellenlängenspektrum),
– spektrale Auflösung (Unterscheidung zwischen zwei eng benachbarten Wellenlängen),
– Energieeffizienz (welcher Anteil des in das Spektrometer eintretenden Lichts erreicht den Sensor),
– Simultanmessung des gesamten Spektrums oder Abscannen des Spektrums (schnelle oder langsame Messung),
– Streulichtverhalten und Dynamikbereich (niedrigste und höchste Lichtintensität innerhalb eines Spektrums, die noch zuverlässig gemessen werden können),
– numerische Apertur (welche Lichteinfallswinkel dürfen in das Gerät eintreten),
– Stabilität des Moduls (welche Beschleunigungen und Temperaturgradienten sind zulässig, ohne dass eine Dejustage zu Falschmessungen führt),
– Größe und Masse des Moduls, Aufwände für Komponenten, deren Zusammenbau, Justage und Wartung (Nachjustage).

Wie allgemein bekannt, lassen sich nicht alle Kriterien durch ein Gerät gleichzeitig gut erfüllen.
Im Stand der Technik haben sich bei Spektrometern, die das gesamte Spektrum simultan erfassen, d. h. Spektrometer mit scannender Spektrenerfassung sind hier unbeachtlich, folgende Grundtypen von Spektrometern durchgesetzt:

1. Czerny-Turner-Spektrometer
2. Rowland-Kreis-Spektrometer
3. Echelle-Spektrometer

Bei einem Czerny-Turner-Spektrometer werden die drei Grundfunktionen 'Kollimation', 'Dispersion' und 'Fokussierung' durch die folgenden fünf Elemente erfüllt: Spalt, kollimierender erster Hohlspiegel, dispersives Gitter, zweiter Hohlspiegel zur Abbildung des aufgefächerten Spektrums und Detektorarray zur Aufnahme des Spektrums. Anstelle der Hohlspiegel können auch refraktive Elemente wie z. B. Linsen zum Einsatz kommen. Der Vorteil der Czerny-Turner-Spektrometer liegt in der Beschränkung auf kostengünstige Bauelemente, insbesondere Plangitter, die verhältnismäßig einfach herstellbar und leicht gegen Gitter anderer Gitterperiode oder Gittertiefe austauschbar sind, um ein flexibel anpassbares Spektrometer zu haben.
Nachteilig ist jedoch die hohe Elementanzahl, die neben unvermeidbaren Reflexionsverlusten den Justageaufwand (bei fest betrachtetem Spalt) mit einer vierfachen Relativausrichtung von zwei Spiegeln, einem Gitter und einem Detektor sehr hoch treibt, wobei jedes Element auch noch mindestens drei Freiheitsgrade aufweist.
Bei einem Rowland-Kreis-Spektrometer werden die drei Grundfunktionen von einem gekrümmten Gitter erfüllt. Der Systemaufbau besteht damit nur noch aus Spalt, konkavem Gitter und Detektor, wobei Spalt und Detektor auf einem sich an das Gittersubstrat anschmiegenden Kreis positioniert sind.
Der Vorteil des Rowland-Kreis-Spektrometers liegt in der reduzierten Elementanzahl, für die – bei fest angenommenem Spalt – nur noch zwei Justierschritte (für Gitter und Detektor) erforderlich sind. Außerdem kann mit nur drei funktionalen Elementen ein „monolithisches Spektrometer” hergestellt werden, für das ein Glas- oder Polymerzylinderblock vorgefertigt wird, auf den das Gitter aufgeprägt und Spalt und Detektorzeile aufgeklebt werden können. Ein solches monolithisches Spektrometer behält seinen Justagezustand auch bei großen mechanischen und thermischen Belastungen.
Nachteilig ist neben der aufwändigen Herstellung des Originalgitters (verbaut wird i.d.R. nur die Kopie der Kopie des Gitters) eine limitierte Auflösung des Spektrometers, da das Spektrum auf einem an das Gitter angeschmiegten Kreis mit halbem Radius des Gittersubstrates („Rowland-Kreis“) abgebildet, aber von einem ebenen Detektor erfasst wird, der prinzipbedingt nur an zwei Stellen direkt auf dem Rowland-Kreis liegen kann und somit als Restfehler die Bildfeldwölbung aufweist. Die Bildfeldwölbung des Spektrums kann durch ein so genanntes Flat-Field-Gitter reduziert werden, bei dem die Gitterlinien auf dem Substrat nicht parallel sind, sondern in Abstand und Neigung speziell an den Rändern variieren. Solche Abbildungsfehler kompensierten Gitter sind heute gängiger Stand der Technik, können die Abbildungsfehler aber nur reduzieren, ohne diese vollständig zu kompensieren. Infolgedessen kann das nahe dem Rowland-Kreis fokussierte linienförmige Spektrum nicht beliebig weit aufgefächert werden, da am Rand des Spektrums liegende spektrale Peaks verbreitert (verfälscht) detektiert werden und Doppelpeaks u. U. nicht mehr trennbar sind.
Rowland-Kreis-Spektrometer mit Bildfeldkorrektur weisen ein weiteres Korrekturelement (z. B. einen zusätzlichen Hohlspiegel) auf, das die Bildfeldwölbung soweit korrigieren kann, dass mittels des kompakten Spektrometermoduls der gesamte für Siliziumdetektoren zugängliche Spektralbereich (190 bis 1150 nm) abgedeckt wird. Diese Bauart bringt jedoch wiederum zusätzliche Elemente ins Spiel, welche die Justagefreiheitsgrade und damit den Justageaufwand wieder erhöhen, wobei ein solches „korrigiertes“ Spektrometer nur mit einem sehr großen Glas- oder Polymerkörper in ein monolithisches Design überführt werden kann.
In der Regel werden in Spektrometern als dispersive Elemente Gitter benutzt, die das auftreffende Licht entsprechend seiner Wellenlänge unterschiedlich ablenken. Diese Beugungswinkel κ lassen sich bei senkrechtem Einfall über nachfolgende Gittergleichung mit m als Beugungsordnung, λ als Wellenlänge und p als Gitterkonstante (= Gitterperiode) beschreiben: sin(κ) = m·λ / p (2.1)
Übliche Spektrometer arbeiten hierbei in der ersten Beugungsordnung m = 1. Betrachtet man die Änderung von sin (κ) für einen gegebenen Wellenlängenunterschied ∆λ, so wäre aber die Nutzung einer höheren Beugungsordnung m ratsam, da ∆{sin (κ)}/∆λ proportional zu m ist und ∆λ somit eine höhere Winkeländerung nach sich zieht, welche als Ortsauslenkung in der Abbildungsebene messbar ist. Die Nutzung einer höheren Beugungsordnung führt jedoch zu einer Einschränkung des freien Spektralbereichs. So liefern die Wellenlängen λ₁ und λ₂ = 2·λ₁ für
den gleichen Beugungswinkel κ. Somit ermöglicht die Nutzung höherer Beugungsordnungen zwar eine höhere Winkelaufspreizung der Dispersion und folglich höhere Auflösung, jedoch schränkt sich gleichzeitig der überlappungsfrei detektierbare Spektralbereich stark ein.
In einem Echelle-Spektrometer werden solche überlappenden Beugungsordnungen eines effizient in hohe Ordnungen beugenden Echelle-Gitters durch ein zweites Gitter (oder ein Prisma) senkrecht zur ersten Dispersionrichtung dispersiv getrennt, so dass diese separat (d. h. überlappungsfrei) von einem Detektor erfasst werden können (siehe z. B. in „Diffraction gratings and applications" von Erwin G. Loewen, S. 233, Abb. 6.38, ISBN: 0-8247-9923-2).
Nach diesem Prinzip konzipierte Spektrographen und Spektrometer können auch extrem feine Spektrallinien auflösen und gleichzeitig einen großen Wellenlängenbereich überstreichen.
Nachteilig ist jedoch, dass derartige Geräte immer ein hochdispersives Gitter mit Präferenz hoher Beugungsordnungen sowie ein nachgeordnetes dispersives Element mit Präferenz niedriger Beugungsordnungen und eine separate Fokussier- und Kollimatoroptik benötigen und dadurch wenig kompakt und robust gegen äußere Einflüsse und dadurch eintretende Dejustierung sind.
Im Stand der Technik sind sogenannte Echelle-Spektrometer und -Spektroskope bekannt, die sich durch eine extrem hochauflösende Aufspaltung eines Eingangsspektrums unter Verwendung von zwei orthogonal angeordneten Gittern, davon mindestens einem Echelle-Gitter, auszeichnen. Dabei wird das durch einen Spalt in das Spektrometer eindringende Eingangsbündel durch einen Hohlspiegel kollimiert und fällt auf ein Echelle-Gitter mit einer treppenförmig (d. h. mit Sägezahnprofil) ausgeführten Gitterstruktur, die es effizient in höhere Beugungsordnungen beugt. Die dabei adressierte Beugungsordnung ist wellenlängenabhängig. So kann z. B. für 400 nm Wellenlänge ein Großteil in die 20te Beugungsordnung konzentriert werden, für 420 nm in die 19te und für 500 nm hingegen in die 16te. Wichtig ist hierbei, dass ein Großteil des Lichtes in die gleiche geometrische Richtung gebeugt wird, wenngleich die Beugungsordnung (BO) wellenlängenabhängig ist. Die dabei entstehenden Überlappungen der spektralen Zerlegungen der verschiedenen BO, die man gleichermaßen nutzen möchte, werden dadurch aufgelöst, dass die Beugungsspektren der unterschiedlichen BO nochmals auf ein dazu senkrecht stehendes Gitter gerichtet werden, um diese zu separieren. Eine nachfolgende Fokussieroptik bildet die resultierenden Spektrallinien auf eine hochauflösende Detektormatrix ab. Beispiele für Echelle-Spektrometer sind z. B. aus WO 2006/077106 A1 , US 6 952 260 B2 , US 7 456 957 B2 bekannt.
Nachteilig an derartigen Spektrometern oder Spektroskopen sind vor allem der hohe Justageaufwand (infolge der hohen Elementanzahl) sowie die Beschränkung des Bündeldurchmessers infolge des langen Lichtweges zwischen den Elementen. Das kollimierte Eingangsbündel wird nach der Wechselwirkung mit dem ersten Gitter aufgefächert und verbreitert sich infolge der zurückgelegten Strecke zum zweiten Gitter. Dort wird es zusätzlich (senkrecht zur ersten Aufspaltungsrichtung) aufgefächert und verbreitert sich auf dem Weg zur Fokussieroptik weiter. Die Fokussieroptik muss das somit stark erweiterte Bündel vollständig aufnehmen und mit geringen Abbildungsfehlern auf die Detektormatrix abbilden. Dies erzwingt einen hohen Aperturdurchmesser der genutzten optischen Elemente sowie zur Kompensation von Abbildungsfehlern eher lange Brennweiten und führt zu hohem Gewicht und großem Bauraumbedarf des Spektrometers.
Die Erfassung der spektralen Zusammensetzung von Licht bedingt bei Echelle-Spektrometern folgende Schritte:

1. Einschränken des einfallenden Lichtes durch einen Spalt (Apertur),
2. Kollimieren des durch den Spalt eintretenden Lichts,
3. Erzeugen einer ersten wellenlängenabhängigen Ablenkung (Dispersion bzw. Hauptdispersion),
4. Auffächern überlappender Spektralzerlegungen verschiedener Beugungsordnungen mittels einer zweiten wellenlängenabhängigen Ablenkung (Dispersion bzw. Querdispersion),
5. Fokussieren von aufgefächerten Lichtbündeln zu separierten Spektren,
6. Erfassen der Spektren mittels eines Detektorarrays (z. B. lineare PDAs oder Zeilen- oder Matrix-Sensoren auf CCD- oder CMOS-Technologie).

Für die einzelnen Schritte stehen unterschiedliche Komponenten zur Verfügung. So können z. B. die Kollimation und die Fokussierung über refraktive oder reflektierende optische Systeme erfolgen, die erste Dispersion kann über ein Blaze-Gitter mit hoher Effizienz in einer hohen Ordnung oder über ein Echelle-Gitter erfolgen (der Übergang zwischen beiden Typen ist fließend) und die zweite Dispersion kann über reflektierende oder transmittierende Sinus- oder Blaze-Gitter oder durch ein Dispersionsprisma erfolgen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine neue Möglichkeit zur Spektroskopie zu finden, die eine hohe spektrale Auflösung und eine hohe Stabilität der spektroskopischen Anordnung mit kompaktem Aufbau bei moderaten Herstellungsaufwänden, insbesondere geringem Justageaufwand, erzielt.
Eine erweiterte Aufgabe besteht darin, ein Spektrometer zu konzipieren, das trotz eines in Massenfertigung preisgünstig hergestellten Gerätes Messungen mit hoher spektraler Auflösung und hoher Zuverlässigkeit und Stabilität der Messungen auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen (z. B. bei mechanischer Beanspruchung, wie Beschleunigung, Spannung/Dehnung infolge von Temperaturgradienten, bei thermischer Belastung aufgrund von Temperaturschwankungen etc.) aufweist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Anordnung zur Spektroskopie, bei der ein mittels eines Eintrittsspalts begrenztes einfallendes Lichtbündel auf ein erstes Gitter zur spektralen Zerlegung des genannten Lichtbündels in Spektren höherer Beugungsordnung gerichtet ist und ein zweites Gitter zur dispersiven Aufspaltung von sich überlappenden Spektren der Zerlegung des ersten Gitters vorhanden ist, um die überlappenden Spektren in einer Beobachtungsebene separiert abbilden zu können, dadurch gelöst, dass mindestens das erste Gitter (Hauptgitter) ein Blaze-Gitter mit einem sägezahnähnlichen Gitterprofil ist, dass das zweite Gitter (quer gerichtetes Feingitter) in das erste Gitter integriert ist, wobei die Gitterstruktur des zweiten Gitters in die genutzte Blaze-Flanke des sägezahnähnlichen Gitterprofils des ersten Gitters unter einem Winkel δ mit 10°≤ δ < 150° zur Struktur des ersten Gitters eingebracht ist, sodass ein kombiniertes Kreuzgitter vorhanden ist, dass das Gitterprofil des ersten Gitters eine mindestens doppelt so große Hauptgitterperiode wie das zweite Gitter und einen Blaze-Winkel aufweist, bei dem das einfallende Lichtbündel in mindestens eine höhere Beugungsordnung H_i des ersten Gitters mit i ≥ 2 effizient gebeugt wird, und dass die Gitterstruktur des zweiten Gitters so bemessen ist, dass das einfallende Lichtbündel zumindest für einen Teil des zu erfassenden Spektralbereichs überwiegend in eine niedrige Beugungsordnung Q_k des zweiten Gitters mit k = +1 oder k = –1 gebeugt wird.
Vorteilhaft ist das kombinierte Kreuzgitter ein Transmissionselement. Es kann aber auch ein Reflexionselement sein. In letzterem Fall ist das kombinierte Kreuzgitter zweckmäßig als reflektierende Oberflächenstruktur des Reflexionselements oder vorzugsweise als reflektierende Rückseitenstruktur eines transparenten optischen Körpers ausgebildet.
In einer besonders kompakten Ausführung ist das kombinierte Kreuzgitter konkav gewölbt, um die Funktion einer Fokussieroptik zur Abbildung von dispersiv aufgespaltenen Spektren in die Beobachtungsebene mit zu übernehmen.
Aus herstellungstechnischer Sicht und unter Kostenaspekten ist das kombinierte Kreuzgitter vorteilhaft als Plangitteranordnung ausgebildet. In diesem Fall wird auf die Kreuzgitteranordnung ein durch den Eintrittsspalt aufgefächertes Lichtbündel und mittels einer Kollimatoroptik kollimiertes Lichtbündel gerichtet und nach der Kreuzgitteranordnung ein gebeugtes Lichtbündel mittels einer Fokussieroptik in der Beobachtungsebene, vorzugsweise auf einen dort angeordneten Bildsensor, gerichtet.
Für besonders kompakte optische Anordnungen sind das kombinierte Kreuzgitter als reflektierende Rückseitenstruktur sowie die Kollimatoroptik und die Fokussieroptik als reflektierende Oberflächenverspiegelungen eines transparenten optischen Körpers ausgebildet, wobei der transparente optische Körper als monolithisches Spektrometer geformt ist, an dessen Außenflächen auch der Eintrittsspalt und der die Beobachtungsebene bildende Bildsensor befestigt sind.
Im kombinierten Kreuzgitter kann die Gitterstruktur des zweiten Gitters unter einem Winkel δ mit 20° < δ < 120° zu der des ersten Gitters eingebracht. In einer vorzuziehenden Variante ist die Gitterstruktur des zweiten Gitters im kombinierten Kreuzgitter unter einem Winkel δ mit 50° < δ < 100° zu der des ersten Gitters eingebracht. Besonders bevorzugt ist die Gitterstruktur des zweiten Gitters unter einem Winkel δ = 90° zu der des ersten Gitters eingebracht.
Des Weiteren wird die Aufgabe durch ein Verfahren zur Herstellung einer Anordnung zur Spektroskopie gemäß Anspruch 1 gelöst, indem dieses die folgenden Schritte enthält:

– Belichten einer latenten sägezahnähnlichen Gitterstruktur eines ersten Gitters (Hauptgitter), mit der an Blaze-Flanken unter einem Blaze-Winkel gebeugte Strahlung in mindestens einer zweiten oder höheren Beugungsordnung konzentriert wird, durch Dosismodulation in einem Fotolack mittels energiereicher Strahlung sowie Belichten einer latenten, zur Gitterstruktur des ersten Gitters unter einem Winkel δ mit 10° ≤ δ < 150° verdrehten Gitterstruktur eines zweiten Gitters (Quergitter), indem die Gitterstruktur des zweiten Gitters durch Dosismodulation energiereicher Strahlung im Fotolack an Orten belichtet wird, die als Blaze-Flanken des ersten Gitters vorgesehen sind, und
– Überführen der latent im Fotolack erzeugten Dosismodulationen des ersten und des zweiten Gitters in reale Gitterprofile eines kombinierten Kreuzgitters durch wenigstens einen Entwicklungsvorgang.

Dabei ist es beliebig, ob die Belichtung des ersten und des zweiten Gitters in der angegebenen Reihenfolge oder gleichzeitig oder in umgekehrter Reihefolge, d. h. beginnend mit der Dosismodulation des zweiten Gitters erfolgt.
Vorteilhaft wird die um den Winkel δ verdrehte Gitterstruktur des zweiten Gitters ebenfalls als Blaze-Gitterstruktur erzeugt. Sie kann aber auch zweckmäßig als Sinusgitterstruktur erzeugt werden.
Vorzugsweise wird auch die Dosismodulation für die Gitterstruktur des zweiten Gitters mittels interferenzlithografischer Belichtung im Fotolack erzeugt und vor der Belichtung des Gitterprofils des ersten Gitters durchgeführt.
Zweckmäßig wird die Dosismodulation im Fotolack mindestens für das erste Gitter mittels Talbot-Lithographie erzeugt wird, wobei die Dosismodulation im Fotolack mindestens für das erste Gitter in einer ersten vorteilhaften Ausführung mit einem Elektronenstrahlschreiber oder in einer zweiten, bevorzugten Variante Laserstrahlschreiber erzeugt wird.
Bevorzugt erfolgt die Verwendung der spektroskopischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für hochauflösende spektrographische oder spektrometrische Messungen und Spektralanalysen in der Chemie, Physik, Biologie, Werkstofftechnik oder Astronomie.
Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass der bekannte Aufbau von Echelle-Spektrometern, -Spektrographen oder -Spektroskopen mit zwei Dispersionsschritten stets einen erheblichen Material- und Justieraufwand bedeutet, der bei wechselnden Umgebungsbedingungen zu nicht tolerablen Abweichungen der zu messenden Spektrallinien führt. Für ein mobiles bzw. portables Spektrometer, das an unterschiedlichen Einsatzorten zum Einsatz kommen soll, ist es neben der Forderung nach minimalem Bauraum und geringem Gewicht jedoch unverzichtbar, dass es den einmal hergestellten Justierzustand möglichst unverändert beibehält. Das ist jedoch selbst für ein Echelle-Spektrometer mit einem festen Medium (Glas oder Polymerkörper) zwischen den zwei dispersiven Elementen aufgrund des langen Strahlweges und der damit einhergehenden hohen Sensitivität auf kleinste Kippbewegungen einzelner Elemente nur sehr aufwändig realisierbar, wenngleich mechanische Dejustierungen durch Erschütterungen o. Ä. schon wesentlich reduziert sind. Die vorliegende Erfindung geht deshalb von der Grundüberlegung aus, dass die örtlichen Abstände von Gitter zu Gitter und zur Beobachtungsebene kurz gehalten oder miteinander starr verknüpft werden müssen, obwohl eine nicht zu unterschreitende mindeste Dispersionslänge für die ausreichende örtliche Trennung der Beugungsspektren unumgänglich erscheint. Die Erfindung löst diese konträre Problemlage durch eine Integration der zweiten Dispersionsfunktion (Querdispersionsgitter) in das Gitter der ersten Dispersionsfunktion (Blaze- oder Echelle-Gitter). Ein zweites separates Querdispersionselement zur lateralen Auffächerung von überlappenden Spektren unterschiedlicher Beugungsordnungen wird damit unnötig. Dazu wird in die erste tiefe Gitterstruktur eines Blaze- bzw. Echelle-Gitters eine lateral verlaufende flache Feingitterstruktur eingebracht. Dabei ist es nur aus Erklärungsgründen sinnvoll von der ersten groben Gitterstruktur auszugehen, um die zweite Feingitterstruktur räumlich in der Fläche des kombinierten Kreuzgitters zu definieren. Herstellungstechnisch betrachtet, können beide Strukturen gleichzeitig oder auch, wenn man lithographische Belichtungsprozesse voraussetzt, beginnend mit der Feinstruktur des zweiten Gitters erzeugt werden.
Während das tiefe Blaze-Gitter das Licht in einer Hauptdispersionsrichtung effizient aufspaltet und in mehreren höheren Beugungsordnungen konzentriert, die gewöhnlich einander überlappen, bewirkt das zum Hauptgitter unter einem definierten Winkel δ kreuzende Querdispersions- bzw. Feingitter eine zusätzliche Ablenkung quer zur Hauptdispersionsrichtung und damit die simultane Trennung der einzelnen Beugungsordnungen. Das fokussierte Beugungsbild wird anschließend von einem Flächendetektor erfasst.
Die vom ersten tiefen Gitter erzeugten Beugungsspektren werden somit nicht mehr auf ein langgestrecktes zweites Gitter gerichtet, um dort quer aufgefächert, voneinander separiert auf einen Bildsensor abgebildet zu werden, sondern in einem Element auf mehrere benachbarte Linien verteilt. Dies vermeidet nicht nur eine erhebliche Kantenlänge des zweiten Gitters, sondern reduziert infolge des kürzeren Wegs vom ersten dispersiven Element zur Fokussieroptik auch die Abmaße Letzterer.
Durch die Erfindung wird eine Möglichkeit aufgezeigt, eine robuste spektroskopische Anordnung, insbesondere eine robuste Spektrometeranordnung zu realisieren, die eine hohe spektrale Auflösung und eine hohe Stabilität auch unter wechselnden Umgebungsbedingungen (z. B. mechanischer Beanspruchung, wie Beschleunigung, Spannung/Dehnung infolge von Temperaturgradienten, thermischer Belastung aufgrund von Temperaturschwankungen etc.) bei zumindest moderaten Herstellungsaufwänden des Spektrometers, insbesondere geringem Justageaufwand, erzielt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:
1: eine schematische Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Spektrometers,
2: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Doppelgitters in einer bevorzugten Ausführung mit einer Orientierung des Quergitters unter einem Winkel δ = 90° zum Hauptgitter,
3a: eine schematische Darstellung des Profils eines Transmissionsgitters mit Blaze-Profil
3b: eine schematische Darstellung des Profils eines Reflexionsgitters mit Blaze-Profil
4: eine schematische Darstellung eines Echelle-Spektrometers mit einem kombinierten Transmissions-Kreuzgitter zur Veranschaulichung der Justierelemente zur optischen Achse sowie zur Beobachtung der Auswirkungen von unterschiedlichen Winkeln δ zwischen Haupt- und Quergitter,
5: eine schematische Darstellung der räumlichen Aufspaltung der Spektren eines Echelle-Spektrometeraufbaus mit einem kombinierten Kreuzgitter gemäß 4, bei dem der Winkel δ zwischen Haupt- und Quergitter 90° beträgt,
6: eine schematische Darstellung der räumlichen Aufspaltung der Spektren eines Echelle-Spektrometeraufbaus mit einem kombinierten Kreuzgitter gemäß 4, bei dem der Winkel δ zwischen Haupt- und Quergitter ca. 135° beträgt,
7: eine schematische Darstellung der räumlichen Aufspaltung der Spektren eines Echelle-Spektrometeraufbaus mit einem kombinierten Kreuzgitter gemäß 4, bei dem der Winkel δ zwischen Haupt- und Quergitter ca. 45° beträgt,
8: eine schematische Darstellung der räumlichen Aufspaltung der Spektren eines Echelle-Spektrometeraufbaus mit einem kombinierten Kreuzgitter gemäß 4, bei dem der Winkel δ zwischen Haupt- und Quergitter 90° beträgt und die Gittertiefe des Hauptgitters, d. h. dessen Blaze-Winkel α_H, erhöht wurde, sodass ein Großteil des Lichts in höhere Beugungsordnungen am Hauptgitter gebeugt wird,
9: eine schematische Darstellung der räumlichen Aufspaltung der Spektren eines Echelle-Spektrometeraufbaus mit einem kombinierten Kreuzgitter gemäß 4, bei dem der Winkel δ zwischen Haupt- und Quergitter 90° beträgt und die Gittertiefe des Quergitters, d. h. dessen Blaze-Winkel, erhöht wurde, sodass außer in die erste BO auch in eine höhere BO am Quergitter effizient gebeugt wird,
10: eine perspektivische Darstellung einer Ausführung des erfindungsgemäßen Spektrometers als kompaktes Echelle-Spektrometer mit ebenen Gittern nach dem Prinzip eines Czerny-Turner-Spektrometers, bei dem in einem transparenten optischen Körper separate Fokussierelemente auf einer Seite eingearbeitet und gegenüberliegend der Eintrittsspalt, ein kombiniertes Kreuzgitter und die Beobachtungsebene angeordnet sind,
11: eine Draufsicht auf ein Czerny-Turner-Spektrometer gemäß 10,
12: eine perspektivische Darstellung eines monolithischen Plangitter-Spektrometers als kompaktes Echelle-Spektrometer in einer Ebert-Fastie-Anordnung, bei dem an einem transparenten optischen Körper ein konkaves optisches Element zur Kollimation des eintretenden Lichtbündels und zur Fokussierung der Spektren auf einer Seite und gegenüberliegend auf der anderen Seite der Eintrittsspalt, das kombinierte Kreuzgitter und ein in der Beobachtungsebene befindlicher Bildsensor angeordnet sind,
13: eine Draufsicht auf ein Ebert-Fastie-Spektrometer von gemäß 12,
14: eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Echelle-Spektrometers ohne separate Fokussierelemente, bei dem ein abbildendes, konkav geformtes, kombiniertes Kreuzgitter die Kollimations-, Dispersions- und Fokussierfunktion übernimmt und als Rowland-Kreis-Spektrometer konzipiert ist,
15: eine Draufsicht auf das Rowland-Kreis-Spektrometer von 14.
Der grundsätzliche Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß 1 umfasst – wie in 1 schematisch dargestellt – einen Eintrittsspalt 1 für ein einfallendes, konvergentes Lichtbündel 7 (vollständig nur in 4 dargestellt) und entlang einer optischen Achse 2 eine Kollimatoroptik 3, ein kombiniertes Kreuzgitter 4, bestehend aus einem ersten Gitter (Hauptgitter 41, nur in 2 dargestellt) in Form eines Blaze- oder Echelle-Gitters und aus einem zweiten Gitter (Quergitter 42, nur in 2 dargestellt), das ebenfalls eine Blaze-Struktur wie das Hauptgitter 41 haben kann, sowie eine Fokussieroptik 5, welche die aufgespalteten Spektren verschiedener Beugungsordnungen in eine Beobachtungsebene 6 abbildet, in der für spektrometrische Zwecke ein Bildsensor 61 (nur in 10 dargestellt) angeordnet ist.
Durch den Eintrittsspalt 1 wird das einfallende konvergente Lichtbündel 7 limitiert. Das nach dem Eintrittsspalt 1 divergente Lichtbündel 71 (nur in 4, 11, 13 und 15 gekennzeichnet) breitet sich entlang der optischen Achse 2 aus und wird mittels der Kollimatoroptik 3 kollimiert. Gemäß der Erfindung fällt das kollimierte Lichtbündel 72 (nur in 4, 11 und 13 gekennzeichnet) unter einem definierten Einfallswinkel φ (nur in 3a, 3b eingezeichnet) auf das kombinierte Kreuzgitter 4, das nachfolgend (anhand von 2) noch genauer beschrieben wird. Zunächst ist von Bedeutung, dass das kombinierte Gitter 4 eine besondere Kreuzgitterstruktur aufweist, die aus einem Hauptgitter 41 in Form eines Blaze- oder Echelle-Gitters, das fast alle gebeugte Strahlung in einige wenige höhere (z. B. 2te bis 4te, typischerweise jedoch z. B. 10te bis 20te) Beugungsordnungen konzentriert, und einem Quergitter 42 mit einer feineren Gitterstruktur, die in die Blaze-Flächen des Hauptgitters 41 eingebracht ist und sämtliche gebeugte Strahlung in einer oder sehr wenigen niedrigen Beugungsordnungen (≤ 2. BO; ≠ 0. BO) konzentriert, zusammengesetzt ist. Der Effekt des kombinierten Kreuzgitters 4 ist im Sinne der Spektrenseparierung derselbe, wie er von zwei einzelnen, zueinander um 90° verdrehten, separat angeordneten Gittern eines herkömmlichen Echelle-Spektrometers bekannt ist. Die entscheidenden Vorteile liegen jedoch in der wesentlich verkürzten optischen Weglänge, die zur Reduzierung des Bauraums führt, und in einem deutlich verringerten Justageaufwand durch Wegfall der Justierung und Nachjustierung der Einzelgitter zueinander. Nach dem kombinierten Kreuzgitter 4 ist wie in jedem Spektrometer eine Fokussieroptik 5 vorhanden, welche die in mehreren Beugungsordnungen erzeugten und aufgespalteten Spektren, die die Fokussieroptik 5 als ebene Wellen bzw. kollimierte Lichtbündel 72 (nur in 4, 11 und 13 bezeichnet) erreichen, in gebeugte und fokussierte Wellen 74 (nur in 4, 11, 13 und 15 gekennzeichnet) transformiert, die sich als konvergente Kugelwellen ausbreiten und in einer Beobachtungsebene 6 ihren Fokus bilden. Von einem in der Beobachtungsebene 6 angeordneten Bildsensor 61 können die diagonal verlaufenden Spektren als optoelektronisch gewandelte 2D-Aufnahmen aufgenommen und durch eine nachfolgende Rechentechnik (nicht dargestellt) ausgewertet werden.
Im Einzelnen ist das kombinierte Kreuzgitter 4 wie folgt konfiguriert, wobei die Gitterstruktur am deutlichsten in 2 aus dem vergrößerten Detail zu erkennen ist.
Das kombinierte Kreuzgitter 4 ist hier in Form eines ebenen zweifachen Blaze-Gitters ausgeführt, wobei die Gitterstruktur und somit Beugungsrichtungen BR_H und BR_Q von Hauptgitter 41 und Quergitter 42 orthogonal zueinander ausgerichtet sind, obwohl dies keineswegs zwingend ist, sondern im Sinne der gewünschten Spektrenauflösung oder Spektrenseparation bewusst – und ggf. deutlich – abweichend gestaltet werden kann. Zu den Möglichkeiten und Auswirkungen werden Beispiele anhand der 5 bis 9 diskutiert und bewertet.
Das Hauptgitter 41 als relativ grobes Gitter mit Hauptgitterperioden p_H im Bereich von 4 µm ≤ p_H ≤ 100 µm und Gittertiefen h_{VH H} zwischen 0,7 µm ≤ h_{VH H} ≤ 70 µm (entspricht Blaze-Winkel α_H zwischen 10° ≤ α ≤ 70°) konzentriert das gebeugte Licht vornehmlich in ein oder zwei Beugungsordnungen (BO) aus dem Bereich der 2. BO...200. BO, bevorzugt zwischen 4. BO...20. BO. Zur Konzentration des gebeugten Lichtes in der anvisierten Hauptgitterordnung kann die Reflexion an der langen Blaze-Flanke 45, wie in 2 implizit sowie 3b explizit dargestellt, genutzt werden, was dem Prinzip eines klassischen Blaze-Gitters in höheren Ordnungen entspricht. Alternativ kann jedoch auch die Reflexion an der kurzen Blaze-Flanke 46 in Kombination mit einem dafür geeigneten Einfallswinkel φ genutzt werden, wie es vom Echelle-Gitter bekannt ist. 2 und 3a und 3b zeigen den Fall der Nutzung der langen Blaze-Flanke 45. Für die Nutzung der kurzen Blaze-Flanke 46 müsste das Quergitter 42 auf der kurzen Blaze-Flanke 46 angebracht werden. In 2 erstreckt sich das Quergitter 42 aus Gründen der Übersichtlichkeit nur über die lange Hauptgitter-Blaze-Flanke 45. Aus herstellungstechnologischen Gründen wird sich das Quergitter 42 in der Regel über beide Hauptgitter-Blaze-Flanken 45 und 46 erstrecken.
Das Quergitter 42 weist dagegen eine Quergitterperiode p_Q auf, die im Bereich 1 µm ≤ p_Q ≤ 10 µm liegt sowie höchstens die Hälfte der Hauptgitterperiode p_H beträgt, und hat mit 0,1 µm ≤ h_{VH Q} ≤ 0,5 µm eine wesentlich kleinere Gittertiefe h_{VH Q}, um gebeugtes Licht ausschließlich in der ersten oder zweiten Beugungsordnung, bevorzugt in der +1. BO oder –1. BO zu konzentrieren. Falls das Quergitter 42 ebenfalls als Blaze-Gitter ausgeführt ist, liegen die dafür erforderlichen Blaze-Winkel α_Q zwischen 0,7° ≤ α_Q ≤ 7°. Mit derselben Wirkung, Beugungslicht des Quergitters 42 möglichst in dessen ersten BO zu konzentrieren, können aber auch Sinusgitter oder Rechteckgitter anstelle eines Blaze-Gitters in die Blazestruktur des Hauptgitters 41 eingebracht werden. Die Effizienz solcher Gitterprofile ist in der Regel geringer und stark vom Einfallswinkel φ sowie dem Polarisationszustand abhängig, was für einige Anwendungen mit ausreichender Signalstärke jedoch unbedeutend ist. Die Größenangaben in µm sind als Auslegungsangaben für den sichtbaren Teil der optischen Strahlung um 550 nm Wellenlänge sowie für ein Reflexionsgitter zu verstehen. Bei Applikationen in kurzwelligeren oder langwelligeren Bereichen können die dort sinnvollen Maßzahlen durch Multiplikation der jeweiligen Größenangabe mit dem Verhältnis aus Nutzwellenlänge und 550 nm erhalten werden. Die Angaben zu den Gittertiefen der Gitter beziehen sich auf Blaze-Profile, die in Reflexion benutzt werden. Für eine Umsetzung als Transmissionsgitter, wie in 3 exemplarisch für ein Liniengitter dargestellt, müssen die Gittertiefen sowohl des Hauptgitters 41 als auch des Quergitters 42 deutlich gesteigert werden, um eine hinreichende Effizienz in vergleichbaren Beugungsordnungen zu erzielen.
Die schwierig mit der ausreichenden Gittertiefe h_{VH H} herzustellende Hauptgitterstruktur wird bevorzugt mit lithographischen Verfahren erzeugt, indem die sogenannte Talbot-Lithografie (siehe D. Thomae et al.: „Flexible mask illumination setup for serial multipatterning in Talbot lithography", Appl. Opt. 53 (2014), 1775–1781) angewendet wird, um zunächst das Hauptgitter 41 herzustellen. Soll das Quergitter 42 ebenfalls als Blaze-Gitter erzeugt werden, kann anschließend hierfür auch das Talbot-Verfahren oder auch Interferenzlithografie genutzt werden. Zweckmäßig werden beide Gitterkomponenten durch sequentielle Belichtung als latente Struktur durch geeignete Dosismodulation im Fotolack hinterlegt und durch einen oder mehrere Entwicklungsschritte mit einem für den verwendeten Fotolack geeigneten Entwickler in ein Oberflächenprofil überführt.
Ein Quergitter 42 in Form eines Sinusgitters wird vorteilhaft durch Interferenzlithografie hergestellt.
Das kombinierte Kreuzgitter 4 kann grundsätzlich als Transmissionsgitter oder Reflexionsgitter hergestellt werden, wobei es dabei zu unterscheiden gilt, ob die Ausführung als Vorderseiten- oder Rückseitenstruktur eines optischen transparenten Körpers 8 ausgeführt ist. Als besonders vorteilhaft erweist es sich, wenn eine Rückseitenstruktur an einer Außenfläche eines transparenten Körpers 8 benutzt wird. D. h. dass sämtliche Elemente eines Spektrometers an den äußeren Flächen des transparenten Körpers 8 angebracht werden können. Dies erhöht die mechanische Stabilität und verringert den erforderlichen Justageaufwand sowie eventuelle spätere Nachjustierungen. Des Weiteren sinken infolge der hohen Polymer- oder Glasbrechzahl von 1,5 (gegenüber 1,0 für Luft) die für die Adressierung hoher Beugungsordnungen benötigten Blaze-Winkel der Haupt- und Quergitterstruktur (α_H und α_Q).
1. Ausführungsbeispiel
Die herstellungstechnisch einfachste Ausführung der erfindungsgemäßen spektroskopischen Anordnung ist ein sogenanntes Plangitter-Spektrometer, wie es in 1 mit einem reflektierenden kombinierten Kreuzgitter 4 als Vorderseitenstruktur-Variante dargestellt ist. Eine alternative Ausführung als Transmissionsvariante des kombinierten Kreuzgitters 4 geht aus der schematischen Darstellung von 4 hervor.
In beiden Varianten des Plangitter-Spektrometers wird ein ebenes Gittersubstrat verwendet und die Fokussier- und Kollimationsfunktion übernehmen zwei separate Transmissionsoptiken (gemäß 1 und 4) oder Reflexionsoptiken (gemäß 10 und 11, nach dem Prinzip eines Czerny-Turner- bzw. Ebert-Fastie-Spektrometers). In der Ausführung von 10 bis 15 ist erkennbar, dass das Spektrometer innerhalb eines transparenten optischen Körpers 8 (z. B. aus Glas, Kunststoff etc.) realisiert ist. Es sei darauf hingewiesen, dass jede dieser Anordnungen auch durch herkömmliche separierte optische Elemente (Vorderseitenhohlspiegel, ein herkömmliches kombiniertes Vorderseitengitter) sowie deren mechanische Halterung in einem gemeinsamen Gehäuse umgesetzt werden kann.
Durch geeignete reflektierende Beschichtung der Außenflächen des transparenten optischen Körpers 8 können die konkav geformten Flächen für Kollimatoroptik 3 und Fokussieroptik 5 sowie das zuvor lithographisch als zweifaches Blaze-Gitter hergestellte kombinierte Kreuzgitter 4 als Reflexionselemente ausgeführt sein. Der Eintrittsspalt 1 kann an der erforderlichen Position aus der Beschichtung ausgespart oder nachträglich wieder freigelegt werden. In 10 kennzeichnet die optische Achse 2 den prinzipiellen Verlauf des Lichts bis hin zum Durchstoßpunkt 21 der optischen Achse 2 durch die Beobachtungsebene 6. In der Draufsicht von 11 sind dazu die Strahlenbündel schematisch dargestellt. Das anfänglich einfallende konvergente Lichtbündel 7, das nach dem Eintrittsspalt 1 als aufgefächertes Lichtbündel 71 zur reflektierenden Kollimatoroptik 3 propagiert und von dort als kollimiertes Lichtbündel 72 auf das kombinierte Kreuzgitter 4 gerichtet wird, zerlegt das Kreuzgitter 4 dispersiv simultan in zwei z. B. senkrecht zueinander stehende Beugungsrichtungen BR_H und BR_Q (nur in 2, sowie 5 bis 9 bezeichnet), wobei die Fokussieroptik 5 die ankommenden gebeugten Lichtbündel 73 als fokussierte gebeugte Lichtbündel 74 in die Beobachtungsebene 6 abbildet, wo sie spektral aufgespaltet – symbolisiert durch örtliche Trennung von zwei unterschiedlichen Wellenlängen λ₁ und λ₂ – als Spektrum sichtbar und mit einem Bildsensor 61 aufnehmbar sind.
Ein solches System bietet sich zum Funktionsnachweis an und bringt gegenüber dem Stand der Technik außer der Einsparung eines Gitters (oder Prismas) den Vorteil der einmaligen Justierung von Haupt- und Quergitter 41 und 42 beim Herstellungsprozess.
2. Ausführungsbeispiel
Gemäß der Darstellung in den 12 und 13 kann die Komponentenzahl des Spektrometers dadurch verringert werden, dass die Kollimatoroptik 3 und die Fokussieroptik 5 auf einer gemeinsamen konkaven Außenfläche des transparenten optischen Körpers 8 aufgebracht sind. Die durch den Eintrittsspalt 1 fallende Kugelwelle wird von der gemeinsame Kollimator- und Fokussieroptik 35 in ein kollimiertes Lichtbündel 72 überführt und auf das kombinierte Kreuzgitter 4 (wiederum als ebenes, reflektierendes Gitter) gelenkt. Das daran gebeugte Lichtbündel 73 wird von der gemeinsamen Kollimator- und Fokussieroptik 35 erneut reflektiert. Die gebeugten und so fokussierten Lichtbündel 74 werden dann als Spektrum (Spektren) auf eine Beobachtungsebene 6 in der Nähe des Eintrittsspaltes 1 abgebildet. Die grundlegenden Strahlverläufe sind zunächst in 12 als dreifach gewinkelte optische Achse 2 mit zwei Reflexionen an der gemeinsamen Kollimator- und Fokussieroptik 35 schematisch dargestellt.
Der Vorteil dieses Aufbaus liegt in der reduzierten Anzahl der separaten optischen Elemente sowie in der geringeren Ausdehnung (bzw. dem geringeren Volumen) des transparenten optischen Körpers 8 im Vergleich zu Ausführungsbeispiel 1. Alternativ kann der optische Strahlverlauf in ähnlicher Art und Weise auch mit einer gemeinsamen Transmissionsoptik (nicht gezeichnet) auf Basis der bekannten Littrow-Anordnung realisiert werden. In beiden Fällen sinkt der erforderliche Justageaufwand erheblich, weil jeweils zwei Elemente zusammengefasst sind, gemeinsame Kollimator- und Fokussieroptik 35 sowie erstes und zweites Gitter 41 und 42, und damit zwei Justierschritte vollständig entfallen.
3. Ausführungsbeispiel
Die Komponentenzahl kann durch Anbringung des kombinierten Kreuzgitters 4 auf einem konkaven Spiegelsubstrat weiter reduziert werden (14 und 15). Bei dieser Anordnung liegen alle Elemente auf einem Rowland-Kreis 9 (nur in 15 eingezeichnet), der sich an das Substrat eines gekrümmten Kreuzgitters 44 anschmiegt und den halben Krümmungsradius des gekrümmten Kreuzgitters 4 aufweist. Die vom Eintrittsspalt 1, welcher auf dem Rowland-Kreis 9 liegt, in das Spektrometer eintretende divergente Welle 71 (Kugelwelle) wird am gekrümmten Kreuzgitter 44 gebeugt und gleichzeitig auf den ebenfalls auf dem Rowland-Kreis 9 liegenden Beobachtungsebene 6 in Form von fokussierten Wellen 74 (konvergenten Kugelwellen) spektral zerlegt abgebildet. Bei genauerer Betrachtung entartet der Rowland-Kreis 9 durch die Verwendung eines gekrümmten Kreuzgitters 44 zu einer Rowland-Kugel, für das Verständnis des Funktionsprinzips genügt jedoch die Näherung dieser Kugel im Schnittbild durch den aus dem Stand der Technik bekannten Rowland-Kreis 9.
Der Vorteil liegt in der stark reduzierten Kantenlänge des Spektrums im Vergleich zu einem ähnlich aufgespalteten [°/nm] Spektrum eines herkömmlichen Spektrometers. Bei Realisierung einer identischen spektralen Ausdehnung verringert dies die benötigte Kantenlänge des Spektrums deutlich, was die Bildfeldwölbung bei der Abbildung an den Rändern des Spektrums erheblich reduziert.
Anhand von 5 bis 9 wird im Folgenden der Einfluss der Freiheitsgrade bei der Ausführung des kombinierten Kreuzgitters 4 auf das Detektorsignal in der Beobachtungsebene 6 diskutiert, insbesondere bei unterschiedlicher Größe des zwischen den Beugungsrichtungen BR_H und BR_Q des ersten Gitters 41 und des zweiten Gitters 42 eingeschlossenen Winkels δ.
5 stellt das Signal in der Beobachtungsebene 6 aus 4 dar. Hierbei wird angenommen, dass der Eintrittspalt 1 in 4 aus einer sehr kleinen Lochblende besteht sowie die Elemente Eintrittsspalt 1, Kollimatoroptik 3, kombiniertes Gitter 4 Fokussieroptik 5 und Bildsensor 61 auf einer gemeinsamen optischen Achse 2 liegen. Abbildungsfehler der Kollimatoroptik 3 sowie der Fokussieroptik 5 werden vernachlässigt. Diese Annahme liegt auch 6 bis 9 zugrunde. In 5 ist eine Orientierung von Quergitter (2. Gitter) 42 zu Hauptgitter (1. Gitter) 41 wie in der für getrennte Gitter bei Echelle-Spektrometern üblichen orthogonalen Ausrichtung gezeigt. Die Beugungsrichtung BR_H des Hauptgitters 41 ist dabei in Richtung der positiven x-Achse angenommen, die Beugungsrichtung BR_Q des Quergitters 42 ist folglich in Richtung der positiven y-Achse ausgerichtet. Die Beugung am Hauptgitter 41 lenkt das Licht in Richtung der positiven oder negativen x-Achse ab. Aufgrund der Effizienzcharakteristik der sägezahnähnlichen Profilform wird ein Großteil des Lichts (aller einfallenden Wellenlängen) jedoch in der mit H_i=4...6 Q_k=0 bezeichneten Region überlagert, wobei H_i=4...6 bezeichnen soll, dass in dem hier gewählten Beispiel das Hauptgitter 41 gebeugtes Licht in der 4. BO bis 6. BO konzentriert. Die anderen Beugungsordnungen, die bei realen Gittern immer noch eine (wenn auch sehr geringe) Resteffizienz besitzen, werden hierbei vernachlässigt.
Das Quergitter 42 erzeugt eine zusätzliche Ablenkung in y-Richtung. Infolge der Gittergleichung treten am Quergitter 42 verschiedenen BO Q_k=-n...0...n auf, jedoch wird das Licht aufgrund der speziellen sägezahnähnlichen Struktur des Quergitters 42 bevorzugt in positive y-Richtung in die +1. Quergitterbeugungsordnung Q_k=1 abgelenkt.
Für jede Einzelwellenlänge treten die Ablenkungen von Hauptgitter 41 und Quergitter 42 in Kombination auf. Das Licht um 400 nm Wellenlänge wird in der 6. Hauptgitterbeugungsordnung H_i=6 sowie 1. Quergitterbeugungsordnung Q_k=1 konzentriert. Beide Ablenkungen skalieren unterschiedlich mit der Wellenlänge und erzeugen somit das mit H_i=6 Q_k=1 bezeichnete Spektrum.
Für das Licht um 500 nm Wellenlänge verschiebt sich das Effizienzmaximum des Hauptgitters 41 von der 6. in die 5. Hauptgitterbeugungsordnung H_i=5, sodass die Ablenkung in x-Richtung in etwa jener von H_i=6 Q_k=0 entspricht und in der Gesamtüberlagerung H_i=4...6 Q_k=0 enthalten ist (wobei Q_k=0 für den theoretischen Fall steht, dass kein Quergitter 42 vorhanden ist). Für das im kombinierten Kreuzgitter 4 stets integrierte Quergitter 42 wird weiterhin die erste Quergitterbeugungsordnung Q_k=1 effizient bedient, sodass infolge der gestiegenen Wellenlänge auch der Ablenkwinkel durch die Quergitterstruktur steigt. Für die Wellenlängen um 500 nm ergibt sich damit das mit H_i=5 Q_k=1 bezeichnete Spektrum.
Für das Licht um 625 nm Wellenlänge verschiebt sich das Effizienzmaximum des Hauptgitters 41 von der 5. BO in die 4. BO, sodass die Ablenkung in x-Richtung ca. jener von H_i=6 Q_k=0 oder H_i=5 Q_k=0 entspricht (Q_k=0 steht hier wieder für keine Quergitterablenkung). Für das Quergitter 42 wird weiterhin, wenn nun auch mit verringerter Effizienz, die 1. BO bedient, sodass infolge der gestiegenen Wellenlänge auch der Ablenkwinkel durch die Gitterstruktur des Quergitters 42 steigt. Für die Wellenlängen um 625 nm ergibt sich damit das Spektrum H_i=4 Q_k=1.
Die Blaze-Wellenlänge λ_B des Quergitters 42 sollte nahe dem kurzwelligen Ende des zu erfassenden Spektralbereichs liegen. Bei Nutzung von Quergitterperioden p_Q, die das Doppelte der Blaze-Wellenlänge λ_B übersteigen, fällt die Quergittereffizienz für den oberen Teil des Spektralbereichs zwangsläufig ab und verlagert sich in die 0. BO. Licht, das vom Quergitter 42 in die 0. BO gebeugt wird, kommt in dem in 5 mit H_i=4...6 Q_k=0 bezeichneten Areal an und trägt somit nicht zur gewünschten Separation der überlagerten Hauptgitterbeugungsordnungen H_i=4...6 Q_k=1 bei.
In 6 bleibt die Beugungsrichtung BR_H des Hauptgitters 41 erhalten, lediglich die Beugungsrichtung BR_Q des Quergitters 42 ist hier im mathematisch positiven Drehsinn gedreht. Der zwischen BR_H und BR_Q eingeschlossene Winkel δ vergrößert sich und ist hier beispielhaft mit δ = 150° angenommen.
Im Ergebnis liegen die Beugungsordnungen H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1 sowie H_i=4 Q_k=1 geringfügig weiter auseinander, jedoch sinkt die Dispersion [nm/mm] in jeder Quergitterbeugungsordnung H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1 sowie H_i=4 Q_k=1. Somit wird eine geringere spektrale Auflösung erreicht, wohingegen wegen der größeren Spektrenabstände der Eintrittsspalt 1 länger ausgeführt werden kann, als dies in der 5 zugrunde liegenden Anordnung möglich ist.
Insgesamt ist die Anordnung mit gegeneinander vergrößertem Winkel δ zwischen den Beugungsrichtungen BR_H und BR_Q wenig empfehlenswert, wenn es auf die mit der Echelle-Spektroskopie beabsichtigte hohe spektrale Auflösung ankommt.
In 7 liegt die Beugungsrichtung BR_Q des Quergitters 42 näher an der Beugungsrichtung BR_H des Hauptgitters 41. Der von BR_H und BR_Q eingeschlossene Winkel δ ist „eher klein“, d. h. weit unter 90°, z. B. δ = 45°.
Die Dispersion steigt hierdurch deutlich, die Beugungsordnungen H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1 sowie H_i=4 Q_k=1 werden länger. Es sinkt jedoch der Abstand zwischen den einzelnen Beugungsordnungen H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1. Der Eintrittsspalt 1 des Spektrometers dürfte deshalb nur eine geringe Höhe aufweisen, damit sich die Beugungsordnungen H_i=6 Q_k=1 und H_i=5 Q_k=1 in der Beobachtungsebene 6 nicht teilweise überlappen.
Diese Ausführung ist sinnvoll, sofern ohnehin nur ein kleiner Lichtpunkt am Eingang des Spektrometers zur Verfügung steht. Dies ist z. B. für Nischenanwendungen wie die Astronomie der Fall, bei der das Punktbild eines Sterns den Eintrittsspalt 1 bildet.
Festlegung des Winkelbereichs
Ein Winkel δ von etwa 90° zwischen den Strukturen von Hauptgitter 41 und Quergitter 42 (und damit der Beugungsrichtungen BR_H und BR_Q) ist zu bevorzugen.
Winkel größer als 150° sind wenig empfehlenswert, da der Vorteil des Kreuz-Echelle-Ansatzes (eine besonders hohe Auflösung erzielen zu wollen) unterlaufen wird.
Winkel kleiner 90° steigern die Auflösung auf Kosten der zulässigen Höhe des Eintrittsspalts 1. Sofern dies akzeptabel ist, sind Winkel 90° ≥ δ ≥ 10° und sogar noch darunter bis in den einstelligen Grad-Bereich vorteilhaft anwendbar.
Ein Gitter 41, 42 besitzt je nach Verhältnis von Gitterperiode p_H, p_Q zur Wellenlänge λ sowie dem Einfallswinkel φ der auftreffenden Strahlung eine feste Anzahl an Beugungsordnungen, z. B. H_i=–6...6 und Q_k=–2...2.
Für die Spektroskopie ist es sinnvoll, das kombinierte Gitter 4 so zu wählen, dass ein Großteil der darauf einfallenden Lichtleistung in jene Beugungsordnungen H_i=4...6 Q_k=1 gebeugt wird, welche in der Beobachtungsebene 6 bzw. auf dem Bildsensor 61 sauber getrennt und mit hoher spektraler Auflösung abgebildet werden.
Das kombinierte Gitter 4 besteht in erster Näherung aus der Überlagerung zweier Liniengitter („Gitterkomponenten“). Die Beugungseffizienz der Gitter 41 sowie 42 wird über die jeweilige Profilform (Blaze-Gitter) und den Einfallswinkel φ vorgegeben. Eine übliche Profilform zur Konzentration des Lichtes in einer bestimmten Beugungsordnung einer Gitterkomponente ist ein so genanntes Blaze-Gitter, wie es in 3b als schematische Schnittdarstellung des Profils für ein Reflexionsgitter zu sehen ist. 3a zeigt ein Blaze-Gitter als Transmissionselement. Das Profil des Blaze-Gitters ist in den 3a und 3b über der lateralen Dimension x als fette, durchgezogene Linie dargestellt.
Die Beugungseffizienz der Gitterstruktur wird physikalisch über den Blaze-Winkel α (in Kombination mit dem Einfallswinkel φ) definiert. Der zur Erreichung maximaler Effizienz bei einer Blaze-Wellenlänge λ_B benötigte Blaze-Winkel α ist jedoch auch von der Wellenlänge λ, der Gitterperiode p sowie dem Einfallswinkel φ abhängig. Die genauen Zusammenhänge zwischen den Variablen λ, α, p sowie φ sind sehr komplex und nicht allgemeingültig und exakt durch analytische Gleichungen zu beschreiben [siehe z. B. in „Diffraction gratings and applications" von Erwin G. Loewen, ISBN: 0-8247-9923-2, in Kapitel 10, „Review of Electromagnetic Theories of Grating Efficiency", Abschnitt „10.1 Introduction" auf Seite 367]. In grober Näherung kann man insbesondere für kleine Einfallswinkel φ sowie eher kleine Beugungswinkel κ eine Beschreibung über die Gittertiefe h_VH (volle Profilhöhe) anwenden, die nicht mehr vom Verhältnis p:λ abhängt. Die Gittertiefe h_VH ergibt sich aus dem Tangens des Blaze-Winkels α sowie der Gitterperiode p über die Beziehung h_VH = tan(α)·p. Sie ist in 3b als gestrichelte Hilfskonstruktion dargestellt. Ein ideales Blaze-Gitter würde eine linear ansteigende Nutzflanke (aktive Gitterflanke) aufweisen, welche am Ende jeder Periode bei x₀ + n·p abrupt, d. h. senkrecht in Richtung des Substrates abfällt. Der Anstiegswinkel β in 3b betrüge damit 90°. Fertigungstechnologisch ist diese Flankenform schwer realisierbar, da z. B. lithografische Verfahren eine endliche Schreibauflösung aufweisen.
Die Gittertiefe h_VH stellt als lineare Verlängerung der aktiven Flanke bis zum Ende jeder Periode bei x₀ + n·p ein Hilfskonstrukt dar, mit dem für kleine Beugungswinkel κ die Ordnung maximaler Effizienz für senkrechten Lichteinfall auf das Gitter in guter Näherung als analytische Funktion der Wellenlänge beschrieben werden kann. Im Endeffekt regelt bei gegebener Gitterperiode p, Wellenlänge λ sowie der Umgebungsbrechzahl n_R der Blaze-Winkel α die Ordnung, in welche effizient gebeugt wird.
Infolge der praktisch nicht perfekten Ausführung der Blaze-Flanke 45 bis ans Ende einer Periode (wie dies in 3b mit einem Winkel β < 90° dargestellt ist) oder einer Verrundung der Profile infolge unzureichender Schreibauflösung (in 3a oder 3b nicht dargestellt) sinkt die reale Beugungseffizienz der mittels h_VH ermittelten Ordnung von z. B. 85 % auf nur 50 %. Die Gittertiefe h_VH ist damit ein nützliches Instrument, um die Ordnung höchster Effizienz („Blaze-Ordnung“) zu bestimmen, wenngleich für konkrete quantitative Effizienzangaben aufwändigere, in der Regel auf numerischer Basis rechnende Ansätze verfolgt werden müssen. Es soll darauf hingewiesen werden, dass die Verwendung insbesondere eines Reflexionsgitters in senkrechtem Einfall selten die optimale Beugungseffizienz in der Nutzordnung generiert. Stattdessen ist für reale Geräte eine Littrow-Anordnung zu bevorzugen. Die Betrachtung des senkrechten Lichteinfalls dient nur der Vereinfachung der analytischen Beschreibung.
Infolge der Beschränkungen der Fertigungstechnologie fällt die reale Profilhöhe der Gitter fast zwangsläufig niedriger als die Gittertiefe h_VH (volle Höhe) aus, um den gewünschten Blaze-Winkel α zu realisieren.
Befindet sich über dem Reflexionsgitter Material der Brechzahl n_R, mit typischen Werten n_R = 1,0 für Luft und n_R ≈ 1,5 für Polymere, ergibt sich die Gittertiefe h_VH der Gitter 41 oder 42 in Abhängigkeit von der anvisierten, geblazten Beugungsordnung m sowie der Blaze-Wellenlänge λ_B näherungsweise zu:
Handelt es sich um ein geblaztes Transmissionsgitter (3a), das aus einem Material mit der Brechzahl n_G gefertigt wurde und von der Brechzahl n_R umgeben ist, berechnet sich die „volle Höhe“ näherungsweise zu:
Die Variablen m, h_VH, p sowie α werden im Folgenden auch mit den Indizes H oder Q für die Haupt- bzw. Quergitterkomponente versehen.
Quergitterstruktur
Die Quergitterstruktur soll in einer niedrigen Ordnung benutzt werden. Zur Wahrung eines großen freien Spektralbereichs („Free Spectral Range“) ist die Nutzung der ±1-ten Beugungsordnung (BO) sinnvoll. Sofern nur ein kleines Spektralintervall erfasst werden muss, kann jedoch prinzipiell auch die ±2-te oder eine höhere BO genutzt werden, sofern diese Ordnungen für die gewählte Quergitterperiode p_Q und das Wellenlängenintervall λ₁ bis λ₂ existieren.
Da die Effizienzkurven für die Blaze-Wellenlänge λ_B von Blaze-Gittern meist zu kurzen Wellenlängen hin sehr schnell und zu langen Wellenlängen nur langsam abfallen, ist es sinnvoll, Blaze-Wellenlänge λ_B eher im unteren Bereich des zu erfassenden Wellenlängenintervalls anzusiedeln.
Das Quergitter 42 hat eine feine Quergitterperiode p_Q. Die Furchenform sollte dabei je nach gewähltem Verhältnis von Quergitterperiode p_Q zu Wellenlänge λ gewählt werden:
Für p_Q/λ > 2 bietet sich eine sogenannte Blaze-Struktur an, wie sie vorstehend beschrieben wurde.
Für p_Q/λ < 2 können außer der benannten Blaze-Struktur auch sinusförmige Strukturen zum Einsatz kommen, die teilweise eine sehr hohe Beugungseffizienz besitzen. So zeigt ein Liniengitter mit p_Q = 417 nm sowie sinusförmigem Profil mit einem Verhältnis von Modulationstiefe des Sinus zur Quergitterperiode p_Q von ca. 0,3 über einen weiten Spektralbereich von ca. 400 bis 800 nm für die TM-polarisierte Komponente des einfallenden Lichts eine Effizienz von über 75 % [siehe Fig. 4.40 auf Seite 123 in „Diffraction gratings and applications" von Erwin G. Loewen, ISBN: 0-8247-9923-2]. Erkauft wird dies mit einer bestenfalls mäßigen Effizienz für die TE-polarisierte Komponente des einfallenden Lichts und teils einer stark vom senkrechten Lichteinfall abweichenden Beleuchtungskonfiguration.
Hauptgitterstruktur
Die Hauptgitterperiode p_H sollte mindestens die doppelte Periode der Quergitterperiode p_Q umfassen. Zudem sollte diese in höheren Ordnungen (H_i mit i ≥ 2) benutzt werden.
Zur Erreichung hoher Effizienzen ist im Allgemeinen eine sägezahnförmige Furchenform (Blaze-Struktur) nötig. Es gelten die oben angestellten Betrachtungen für Blaze-Gitter, wonach zur Konzentration des gebeugten Lichts der Wellenlänge λ in der m_Hten Ordnung sich die volle Höhe des Hauptgitters 41 in grober Näherung über folgende Formel ergibt:
Zur Erzielung besonders hoher spektraler Auflösung kann das Hauptgitter 41 auch in sehr hohen Ordnungen bei großen Einfallswinkeln φ (> 45°) benutzt werden. In diesen Fällen wird die in 3b gekennzeichnete kurze Blaze-Flanke 46 der Gitterstruktur in Reflexion genutzt. Dieses Prinzip ist aus der Literatur als „Echelle-Gitter" hinlänglich bekannt [vergleiche: Kapitel 6 „Echelle Gratings" auf Seite 191 in „Diffraction gratings and applications" von Erwin G. Loewen, ISBN: 0-8247-9923-2]. Da für diese Gitter eine deutlich vom senkrechten Einfall abweichende Beleuchtungsgeometrie genutzt wird, sind kompliziertere Methoden zur Berechnung der Effizienz notwendig. Die Konzentration der gebeugten Strahlung in vornehmlich einer Ordnung erfolgt jedoch für diese Anwendung des Blaze-Profils genauso wie im mittels der Gittertiefe h_VH diskutierten Fall, so dass auch die Verwendung von Echelle-ähnlichen Profilen für die Hauptgitterkomponente eine Ausprägung der Erfindung darstellt.
Änderung der Gitterperiode
Nach der erfolgten, ausführlichen Diskussion zur Orientierung von Hauptgitter 41 und Quergitter 42 erfolgen anhand von 5, 8 und 9 Betrachtungen zu Gitterperiode p_H, p_Q, der vollen Gittertiefe h_{VH H}, h_{VH Q} und den Blaze-Winkeln α_H, α_Q.
Für die nachfolgenden Betrachtungen wird zur Vereinfachung – ohne Beschränkung der Allgemeinheit – der Winkel δ zwischen beiden Gitterrichtungen mit δ = 90° angenommen.
Quergitterperiode
Verkleinert man die Quergitterperiode p_Q unter Beibehaltung der Gittertiefe h_{VH Q}, wird in 5 die Ablenkung der Spektrallinien in y-Richtung größer. Die y-Ausdehnung der Spektren H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1 wird damit gestreckt.
Vergrößert man die Quergitterperiode p_Q, wird die Ablenkung in y-Richtung kleiner. Die y-Ausdehnung der Spektren H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1 wird damit gestaucht.
Hauptgitterperiode
Verkleinert man die Hauptgitterperiode p_H unter Beibehaltung der Gittertiefe h_{VH H}, steigt die Ablenkung in x-Richtung. Die x-Ausdehnung der Spektren H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1 wird damit gestreckt.
Vergrößert man die Hauptgitterperiode p_H, sinkt die Ablenkung in x-Richtung. Die x-Ausdehnung der Spektren H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1 wird damit gestaucht.
Änderung der Blaze-Winkel bzw. der Gittertiefen
Gittertiefe des Hauptgitters
Die volle Gittertiefe h_{VH H} des Hauptgitters 41 wird bei festgehaltener Hauptgitterperiode p_H praktisch durch eine Änderung des Blaze-Winkels α_H der Hauptgitterflanke beeinflusst. Eine Steigerung des Blaze-Winkels α_H verlagert die Effizienz in höhere Beugungsordnungen. Damit vergrößert sich die Ablenkung in x-Richtung in 8, mit ihr auch die Dispersion, d. h. die spektrale Auflösung des Spektrometers steigt. Die Ablenkung in y-Richtung bleibt gleich.
Gleichzeitig sinkt das Spektralintervall, in dem das einfallende Licht effizient in eine Beugungsordnung gebeugt wird. Reichten vorher z. B. drei Ordnungen für die Erfassung eines Spektralbereichs (5), so verteilt sich die dispergierte Strahlung gemäß 8 dann auf z. B. vier Ordnungen (H_i=8 Q_k=1, H_i=7 Q_k=1, H_i=6 Q_k=1 bis H_i=5 Q_k=1).
Senkt man den Blaze-Winkel α_H, treten die umgekehrten Effekte auf.
Gittertiefe des Quergitters
Die volle Gittertiefe h_{VH Q} des Quergitters 42 bzw. der Blaze-Winkel α_Q des Blaze-Profils sollte so dimensioniert sein, dass die Blaze-Wellenlänge λ_B in der Nähe des kurzwelligen Endes des zu erfassenden Spektralbereichs (in der ersten Quergitterbeugungsordnung Q_k=1) liegt und Blaze-Wellenlänge λ_B folglich (hauptsächlich) in die Ordnung H_i=6 Q_k=1 in 5 gebeugt wird.
Senkt man den Blaze-Winkel α_Q bzw. die volle Gittertiefe h_{VH Q} des Quergitters 42 geringfügig, verschiebt sich das Effizienzmaximum der Quergitterkomponente zu kürzeren Wellenlängen. Liegt das Effizienzmaximum der Quergitterkomponente z. B. in der Mitte der Ordnung H_i=6 Q_k=1, so ändert sich die Effizienz in der Ordnung H_i=6 Q_k=1 durch Absenkung von α_Q kaum bzw. wird bei genauerer Betrachtung für die Wellenlängen größer als λ_B abgesenkt und für Wellenlängen kleiner als λ_B angehoben. Die Ordnungen H_i=5 Q_k=1 sowie H_i=4 Q_k=1 werden in ihrer Intensität abgesenkt. Sofern in das Spektrometer auch noch kurzwelligere Strahlung als jene in die BO H_i=6 Q_k=1 gebeugte eintritt, wird diese bei einer deutlichen Absenkung von h_{VH Q} überwiegend in die Ordnung H_i=7 Q_k=1 gebeugt. Durch Absenken von α_Q wird die Intensität von H_i=7 Q_k=1 erhöht.
Hebt man den Blaze-Winkel α_Q geringfügig an, verschiebt sich die Effizienz hin zu längeren Wellenlängen λ. Das Spektrum H_i=6 Q_k=1 in 5 wird etwas dunkler und die Spektren H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1 werden etwas heller.
Bei einer deutlichen Steigerung des Blaze-Winkels α_Q verlagert sich die Effizienz in die nächst höhere Beugungsordnung des Quergitters 42 (dargestellt in 9). Neben der bisher genutzten ersten Beugungsordnung des Quergitters 42, die in Kombination mit der z. B. 6ten, 5ten und 4ten Hauptgitterordnung die Spektren H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1 ergibt, gelangt ein Teil des Lichtes auch in die zweite Beugungsordnung Q_k=2 des Quergitters 42.
Die Kombination von z. B. 6ter, 5ter und 4ter Hauptgitterbeugungsordnung H_i=6 Q_k=0, H_i=5 Q_k=0, H_i=4 Q_k=0 mit der zweiten Quergitterbeugungsordnung Q_k=2 ergibt die Spektren H_i=6 Q_k=2, H_i=5 Q_k=2 und H_i=4 Q_k=2 in 9.
Die gesteigerte Dispersion der Spektren der 2ten Quergitterbeugungsordnung hebt die Auflösung an, jedoch sinkt der überlappungsfrei darstellbare Spektralbereich.
Eine Nutzung des Quergitters 42 jenseits der ersten Beugungsordnung Q_k=1 ist möglich, jedoch abseits von Spezialfällen nicht empfehlenswert. Es sollte versucht werden, die Quergitterperiode p_Q zu halbieren und das dann feinere Quergitter 42 in der ersten Beugungsordnung H_i=6 Q_k=1, H_i=5 Q_k=1, H_i=4 Q_k=1. zu benutzen.
Zur Herstellung eines kompakten Spektrometers sind in den 10 bis 15 einige bevorzugte Realisierungsformen gezeigt, die vornehmlich eine Spektrometer-Strahlführung in einem optisch dichten Medium, z. B. einem transparenten optischen Körper 8, darstellen. Diese wurde bereits zuvor in ihren Grundzügen in den Ausführungsbeispielen diskutiert. Jedes dieser Beispiele kann alternativ auch mit separierten optischen Elementen, die von einem Gehäuse gehalten werden, aufgebaut werden.
10 und 11 zeigen in einer perspektivischen Darstellung und in einer Draufsicht ein Spektrometer, bei dem bereits das in den Eintrittsspalt 1 einfallende Lichtbündel 7 beim Spaltdurchtritt vom optisch dünnen ins optisch dichte Medium übergeht. Somit ist der Eintrittsspalt 1 auf dem transparenten optischen Körper 8 aufgebacht, beispielsweise aufgeklebt. Das vom Eintrittsspalt 1 aufgefächerte Lichtbündel 71 fällt (gemäß dem Optikschema von 11) auf eine konkav gewölbte Kollimatoroptik 3, die als Spiegeloptik auf einer rückseitigen Fläche des transparenten optischen Körpers 8 so aufgebracht ist, dass die kollimierten Lichtbündel 72 auf das ebenflächige kombinierte Gitter 4 fallen. Die vom kombinierten Gitter 4 gebeugten Lichtbündel 73 fallen auf eine weitere rückseitig verspiegelte reflektierende Fläche, die konkave Fokussieroptik 5, des optischen transparenten Körpers 8, von der die fokussierten und gebeugten Lichtbündel 74 für unterschiedliche Wellenlängen auf unterschiedliche Orte der Beobachtungsebene 6 geführt werden, von denen in 11 beispielhaft die ausgewählten Wellenlängen λ₁ und λ₂ eingezeichnet sind.
In 12 ist ein perspektivisch dargestellter transparenter optischer Körper 8 als Spektrometer geformt, in dem Kollimatoroptik 3 und Fokussieroptik 5 als gemeinsames Element 35 an derselben rückwärtigen Fläche des transparenten optischen Körpers 8 angebracht sind. Durch den auf dem transparenten optischen Körper 8 angebrachten Eintrittsspalt 1 dringt ein aufgefächertes Lichtbündel 71 in den transparenten optischen Körper 8 ein (gemäß dem Optikschema von 13), welches von der konkav gewölbten gemeinsamen Kollimator- und Fokussieroptik 35 kollimiert wird. Diese ist als Spiegeloptik auf einer rückseitigen Fläche des transparenten optischen Körpers 8 so aufgebracht, dass das kollimierte Lichtbündel 72 auf das ebenflächige kombinierte Gitter 4 fallen. Die vom kombinierten Gitter 4 gebeugten Lichtbündel 73 fallen auf die konkave gemeinsame Kollimator- und Fokussieroptik 35 und werden von dieser aus als gebeugte und fokussierte Lichtbündel 74 für unterschiedliche Wellenlängen λ auf unterschiedliche Orte der Beobachtungsebene 6 geführt, von denen in 13 beispielhaft die ausgewählten Wellenlängen λ₁ und λ₂ eingezeichnet sind. Die Anordnung der Elemente Eintrittspalt 1, Beobachtungsebene 6 sowie kombiniertes Kreuzgitter 4 ist in ihrer Reihenfolge variabel und nur als Beispiel zu sehen. Geeignete detaillierte Anordnungen sind durch Berechnung mittels entsprechender Optikdesign-Software zu finden.
14 zeigt einen perspektivisch dargestellten optischen transparenten Körper 8 als Spektrometer geformt, in welchem ein konkav gekrümmtes Kreuzgitter 44 gleichzeitig auch die Funktion der Kollimation und Fokussierung übernimmt. Hierfür fällt ein Lichtbündel 7 auf den auf dem transparenten optischen Körper 8 angebrachten Eintrittsspalt 1 und erreicht als divergentes Lichtbündel 71 (dargestellt in 15) das gekrümmte Kreuzgitter 44. Von diesem gebeugte Wellen 74 (dargestellt in 15) sind aufgrund des Verhältnisses der Krümmung der einfallenden Wellenfront des des divergenten Lichtbündels 71 und der Krümmung des Substrates des gekrümmten Kreuzgitters 44 so geformt, dass sie ihren Fokus in der Beobachtungsebene 6 ausbilden. Hierbei sind wieder exemplarisch die Positionen der Wellenlängen λ₁ und λ₂ eingezeichnet, welche von einem dort positionierten Detektor (nicht dargestellt) erfasst werden. Der aus klassischen abbildenden Spektrometern bekannte Rowland-Kreis 9 entartet aufgrund der gekreuzten Struktur des gekrümmten Kreuzgitters 44 in der dargestellten Anordnung zu einer Sphäre, sodass nicht mehr unter allen Umständen die aus klassischen Spektrometern bekannten Ansätze zur Bemessung des Rowland-Kreises 9 unverändert anwendbar sind.
Bezugszeichenliste

1: Eintrittsspalt
2: optische Achse
21: Durchstoßpunkt (der optischen Achse 2)
3: Kollimatoroptik
35: gemeinsame Kollimator- und Fokussieroptik
4: kombiniertes (Kreuz-)Gitter
41: Hauptgitter (erstes Gitter)
42: Quergitter (zweites Gitter)
44: gekrümmtes Kreuzgitter
45: lange Blaze-Flanke
46: kurze Blaze-Flanke
5: Fokussieroptik
6: Beobachtungsebene
61: Bildsensor
7: einfallendes Lichtbündel
71: divergentes Lichtbündel / divergente Welle
72: kollimiertes Lichtbündel / ebene Welle
73: gebeugtes Lichtbündel / gebeugte Welle
74: gebeugtes fokussiertes Lichtbündel / gebeugte fokussierte Welle
8: transparenter optischer Körper
9: Rowland-Kreis
BR_H: Beugungsrichtung (des Hauptgitters 41)
BR_Q: Beugungsrichtung (des Quergitters 42)
p_H: Hauptgitterperiode
p_Q: Quergitterperiode
H_i: Beugungsordnung des Hauptgitters 41
Q_k: Beugungsordnung des Quergitters 42
α: Blaze-Winkel (der langen Blaze-Flanke 45)
β: Anstiegswinkel (der kurzen Blaze-Flanke 46)
δ: Winkel (zwischen Haupt- und Quergitter 41 und 42)
κ: Beugungswinkel
φ: Einfallswinkel
λ₁: erste Wellenlänge
λ₂: zweite Wellenlänge
h_VH: Gittertiefe (volle Profilhöhe)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/077106 A1 [0017]
US 6952260 B2 [0017]
US 7456957 B2 [0017]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Diffraction gratings and applications“ von Erwin G. Loewen, S. 233, Abb. 6.38, ISBN: 0-8247-9923-2) [0014]
D. Thomae et al.: „Flexible mask illumination setup for serial multipatterning in Talbot lithography", Appl. Opt. 53 (2014), 1775–1781 [0062]
„Diffraction gratings and applications“ von Erwin G. Loewen, ISBN: 0-8247-9923-2, in Kapitel 10, „Review of Electromagnetic Theories of Grating Efficiency“, Abschnitt „10.1 Introduction“ auf Seite 367 [0092]
siehe Fig. 4.40 auf Seite 123 in „Diffraction gratings and applications“ von Erwin G. Loewen, ISBN: 0-8247-9923-2 [0102]
„Echelle-Gitter“ hinlänglich bekannt [vergleiche: Kapitel 6 „Echelle Gratings“ auf Seite 191 in „Diffraction gratings and applications“ von Erwin G. Loewen, ISBN: 0-8247-9923-2] [0105]

Claims

Anordnung zur Spektroskopie, bei der ein mittels eines Eintrittsspalts begrenztes einfallendes Lichtbündel auf ein erstes Gitter zur spektralen Zerlegung des genannten Lichtbündels in Spektren höherer Beugungsordnung gerichtet ist und ein zweites Gitter zur dispersiven Aufspaltung von sich überlappenden Spektren der Zerlegung des ersten Gitters vorhanden ist, um die überlappenden Spektren in einer Beobachtungsebene separiert abbilden zu können, dadurch gekennzeichnet, dass – mindestens das erste Gitter (41) ein Blaze-Gitter mit einem sägezahnähnlichen Gitterprofil ist, – das zweite Gitter (42) in das erste Gitter (41) integriert ist, wobei die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) in die genutzte Blaze-Flanke (45; 46) des sägezahnähnlichen Gitterprofils des ersten Gitters (41) unter einem Winkel (δ) mit 10° ≤ δ < 150° zur Struktur des ersten Gitters (41) eingebracht ist, sodass ein kombiniertes Kreuzgitter (4) vorhanden ist, – das Gitterprofil des ersten Gitters (41) eine mindestens doppelt so große Hauptgitterperiode (p_H) wie das zweite Gitter (42) und einen Blaze-Winkel (α) aufweist, bei dem das einfallende Lichtbündel (7) in mindestens eine höhere Beugungsordnung (H_i) des ersten Gitters (41) mit i ≥ 2 effizient gebeugt wird, und – die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) so bemessen ist, dass das einfallende Lichtbündel (7) zumindest für einen Teil des zu erfassenden Spektralbereichs überwiegend in eine niedrige Beugungsordnung (Q_k) des zweiten Gitters (42) mit k = +1 oder k = –1 gebeugt wird.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) ein Transmissionselement ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) ein Reflexionselement ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) als reflektierende Oberflächenstruktur des Reflexionselements ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) als reflektierende Rückseitenstruktur eines transparenten optischen Körpers (8) ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) konkav gewölbt ist, um die Funktion einer Fokussieroptik (5) zur Abbildung von dispersiv aufgespaltenen Spektren in die Beobachtungsebene (6) mit zu übernehmen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) als Plangitteranordnung ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) eine Plangitteranordnung ist, auf die ein durch den Eintrittsspalt (1) aufgefächertes Lichtbündel (71) und mittels einer Kollimatoroptik (3) kollimiertes Lichtbündel (72) gerichtet ist und nach der gebeugte Lichtbündel (73) mittels einer Fokussieroptik (5) auf einen in der Beobachtungsebene (6) angeordneten zweidimensionalen Bildsensor (61) gerichtet sind.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das kombinierte Kreuzgitter (4) als reflektierende Rückseitenstruktur sowie die Kollimatoroptik (3) und die Fokussieroptik (5) als reflektierende Oberflächenverspiegelungen eines transparenten optischen Körpers (8) ausgebildet sind, wobei der transparente optische Körper (8) als monolithisches Spektrometer geformt ist, an dessen Außenflächen auch der Eintrittsspalt (1) und der die Beobachtungsebene (6) bildende Bildsensor (61) befestigt sind. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Kreuzgitter (4) die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) unter einem Winkel 20° < δ < 120° zu der des ersten Gitters (41) eingebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Kreuzgitter (4) die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) unter einem Winkel 50° < δ < 100° zu der des ersten Gitters (41) eingebracht ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im kombinierten Kreuzgitter (4) die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) unter einem Winkel δ = 90° zu der des ersten Gitters (41) eingebracht ist.
Verfahren zur Herstellung einer Anordnung für Spektroskopie gemäß Anspruch 1 enthaltend die folgenden Schritte: – Belichten einer latenten sägezahnähnlichen Gitterstruktur eines ersten Gitters (41), mit der an Blaze-Flanken (45) unter einem Blaze-Winkel (α) gebeugte Strahlung in mindestens einer zweiten oder höheren Beugungsordnung konzentriert wird, durch Dosismodulation in einem Fotolack mittels energiereicher Strahlung, – Belichten einer latenten, zur Gitterstruktur des ersten Gitters (41) unter einem Winkel (δ) mit 10° ≤ δ < 150° verdrehten Gitterstruktur eines zweiten Gitters (42), indem die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) durch Dosismodulation energiereicher Strahlung im Fotolack an Orten belichtet wird, die als Blaze-Flanken (45) des ersten Gitters (41) vorgesehen sind, und – Überführen der latent im Fotolack erzeugten Dosismodulationen des ersten und des zweiten Gitters (41, 42) in reale Gitterprofile eines kombinierten Kreuzgitters (4) durch wenigstens einen Entwicklungsvorgang.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die um den Winkel (δ) verdrehte Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) ebenfalls als Blaze-Gitterstruktur erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die um den Winkel (δ) verdrehte Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) als Sinusgitterstruktur erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Dosismodulation für die Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) mittels interferenzlithografischer Belichtung im Fotolack erzeugt wird und die Belichtung der Gitterstruktur des zweiten Gitters (42) vor der Belichtung der Gitterstruktur des ersten Gitters (41) erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Dosismodulation im Fotolack mindestens für das erste Gitter (41) mittels Talbot-Lithographie erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Dosismodulation im Fotolack mindestens für das erste Gitter (41) mit einem Elektronenstrahlschreiber erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei die Dosismodulation im Fotolack mindestens für das erste Gitter (41) mit einem Laserstrahlschreiber erzeugt wird.
Verwendung einer spektroskopischen Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12 für hochauflösende spektrographische oder spektrometrische Messungen und Spektralanalysen in der Chemie, Physik, Biologie, Werkstofftechnik oder Astronomie.