DE10347862B4 - Hochauflösendes Spektrometer - Google Patents

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Angewandter Optik Optoelektronik Quantenelektronik und Spektroskopie Ev Gesell zur Forderung
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    • G01J3/22Littrow mirror spectrometers

Abstract

Hochauflösendes Spektrometer (10) mit einem Eintrittsspalt (12), einem Echelle-Gitter (16), einer Kameraoptik (14), und einer Detektoranordnung mit einem Detektor (22), welche analog zu einer Littrow-Anordnung so zueinander angeordnet sind, daß Strahlung, welche durch den Eintrittsspalt (12) in das Spektrometer (10) eintritt, mittels der Kameraoptik (14) auf das dispergierende Element (16), und danach bis auf einen kleinen Winkel (γ) in sich zurück über die gleiche Kameraoptik (14) leitbar und auf dem Detektor (22) fokussierbar ist, wobei Mittel (18, 20) zur Erzeugung einer Mehrfachdispersion durch das gleiche Echelle-Gitter (16) vorgesehen sind, welche wenigstens zwei reflektierende, ebene Flächen (18, 20) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (18, 20) miteinander einen rechten Winkel bilden und die dispergierte und fokussierte Strahlung (3) zuerst in Richtung auf eine der jeweils anderen reflektierenden Flächen und dann in Richtung auf das Echelle-Gitter (16) zurückreflektieren, und so angeordnet sind, daß sich der Eintrittsspalt (12) in der Schnittlinie der...

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Spektrometer mit einem Eintrittsspalt, einem Echelle-Gitter, einer Kameraoptik, und einer Detektoranordnung mit einem Detektor, welche analog zu einer Littrow-Anordnung so zueinander angeordnet sind, daß Strahlung, welche durch den Eintrittsspalt in das Spektrometer eintritt, mittels der Kameraoptik auf das Echelle-Gitter, und danach bis auf einen kleinen Winkel in sich zurück über die gleiche Kameraoptik leitbar und auf dem Detektor fokussierbar ist, wobei Mittel zur Erzeugung einer Mehrfachdispersion durch das dispergierende Element vorgesehen sind, welche wenigstens zwei reflektierende, ebene Flächen umfassen.
  • Aus der DE 199 61 908 C2 ist ein hochauflösendes Spektrometer bekannt, bei welchem Strahlung aus einem Eintrittsspalt mittels einer Kameraoptik auf ein Echelle-Gitter gelenkt wird. Das Echelle-Gitter ist so positioniert, daß der einfach dispergierte Strahl zur Erzeugung eines doppelten Gitterdurchgangs vom Echelle-Gitter zunächst auf einen Planspiegel gebeugt wird: Die Strahlung wird an dem Planspiegel in sich zurück reflektiert. Der Strahl läuft dann erneut über das Gitter und zurück über die Kameraoptik in Richtung auf einen Detektor. Durch eine geringe Kippung des Planspiegels wird die Strahlung aus der Hauptebene des Strahlengangs herausgeleitet. Dadurch liegt der Ort des Spektrums, welches aus den monochromatischen Bildern des Eintrittsspalts gebildet wird, ober- oder unterhalb des Eintrittsspaltes. Dort wird das Spektrum mittels eines Detektors registriert. Durch geeignete Gitterdrehung kann der Strahlengang so verändert werden, daß der Strahl direkt vom Gitter in sich zurückläuft. Dann wird eine einfache Dispersion realisiert. Der minimale Linienabstand Δλ, bei welchem zwei Linien einer Wellenlänge λ noch sicher unterschieden können, wird als Auflösungsvermögen R = λ/Δλ bezeichnet. Das theoretische Auflösungsvermögen R in einem Gitterspektrometer wird durch die Gesamtzahl der Gitterfurchen N und die Beugungsordnung m bestimmt. Bei doppeltem Durchgang über das Gitter kann eine gegenüber dem einfachen Durchgang erhöhte spektrale Auflösung erreicht werden.
  • Aus der Veröffentlichung „Precise measurements with a compact vacuum infrared spectrometer" von D.B. Braund, A. R. H. Cole, J. A. Cugley, F. R. Honey, R. E. Pulfrey und G. D. Reece ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die Strahlung zweifach über ein Gitter geleitet wird. Zur Realisierung des zweifachen Gitterdurchgangs wird ein im Strahlengang befindlicher Spiegel leicht um eine in der Dispersionsebene liegende Achse gekippt, so daß der Strahl aus dieser Ebene herausläuft. Der rücklaufende Strahl trifft dann auf einen Planspiegel. Dieser Planspiegel ist innerhalb des Strahlengangs etwas oberhalb des einlaufenden Strahls angeordnet. Mit dem Planspiegel wird der Strahl in Richtung auf zwei weitere Spiegel gelenkt, die einen rechten Winkel miteinander bilden. Der Strahl läuft um einen kleinen Weg versetzt in sich zurück auf den Planspiegel. Von dort aus läuft der Strahl wider zum Gitter. Auf diese Weise wird ein weiterer Durchgang am Gitter realisiert. Die Anordnung ist jedoch mit einer Vielzahl von optischen Komponenten verbunden. Weiterhin wird der Strahl aus der Dispersionsebene herausgelenkt, wodurch sich die Abbildungsqualität verschlechtert.
  • In der US 6 573 989 B2 ist eine Anordnung offenbart, bei welcher eine Mehrfachdispersion mittels mehrerer Gitter realisiert wird. Die an einem ersten Gitter einfach dispergierte Strahlung wird in Richtung eines weiteren Gitters gebeugt. Dieses weitere Gitter steht in Littrow-Anordnung. Die dort erneut dispergierte Strahlung läuft in sich zurück. An dem ersten Gitter wird die Strahlung dann ein drittes Mal dispergiert. Durch Drehung des ersten Gitters kann dieses in eine Stellung gebracht werden, bei welcher der einfach dispergierte Strahl direkt in sich zurückläuft. Es können also zwei unterschiedlich breite Spektrenausschnitte mit unterschiedlicher Auflösung untersucht werden. Durch die Verwendung von zwei Gittern ist diese Anordnung teuer.
  • In der DE 41 18 760 A1 ist ein Echelle-Doppelmonochromator offenbart. Die Strahlung läuft durch einen ersten Eintrittsspalt über einen Kollimatorspiegel zu einem Prisma in Littrow-Anordnung. Wenn der Strahl zurückläuft, trifft er auf einen Planspiegel, der einen 45°-Winkel zur optischen Achse bildet und wird dort um 90° abgelenkt. Anschließend läuft der Strahl durch einen weiteren Spalt und trifft hinter dem Spalt wieder auf einen Planspiegel, an dem er erneut um 90° abgelenkt wird. Der Spalt trennt die erste dispergierende Anordnung mit dem Prisma von einer zweiten dispergierenden Anordnung mit einem Echelle-Gitter. Zwischen beiden Anordnungen ist eine Trennwand angeordnet. Bei dieser Anordnung wird zwar eine Mehrfachdispersion erzeugt. Diese erfolgt jedoch ebenfalls durch ein weiteres dispergierendes Element, nämlich das Gitter. Auch diese Anordnung ist entsprechend groß und teuer.
  • In der US 2002/0021493 A1 wird eine Anordnung beschrieben, bei welcher ein Mehrfachdurchgang an einem Gitter realisiert wird. Zu diesem Zweck wird ein Strahl, der durch einen Eintrittsspalt tritt und über einen Kollimatorspiegel auf ein Gitter gelenkt wird, von einem Planspiegel wieder in sich zurückgelenkt. Dabei läuft der Strahl nicht genau in der Dispersionsebene des Gitters, sondern wird um einen kleinen Winkel aus dieser Ebene herausgelenkt. Auf diese Weise verläuft der zurückgekommene, zweifachdispergierte Strahl genau unterhalb des Eintrittsspalts. Dort ist eine Reflexionsanordnung vorgesehen. Die Reflexionsanordnung besteht aus vier Planspiegeln und einem Zwischenspalt. Eintrittsspalt und Austrittspalt liegen übereinander. Die Anordnung hat mehrere Nachteile: Die hohe Anzahl an Komponenten verteuert die Anordnung. Weiterhin treten Reflexionsverluste an jedem der Spiegel auf. Schließlich ist der Justieraufwand für diese Anordnung erheblich und es entstehen Abbildungsfehler.
  • Aus der US 2 868 063 sind drei optische Anordnungen entsprechend den dortigen 1, 9 und 10 bekannt. 1 der Druckschrift zeigt eine um eine Achse O symmetrische Anordnung. Die Strahlung läuft von einem Eintrittsspalt über einen ersten Bereich eines sphärischen Spiegels auf ein Gitter und von dort über einen zweiten Bereich des sphärischen Spiegels auf einen Planspiegel. Bei der Anordnung liegt der Strahl weit von der Krümmungsachse des Spiegels entfernt. Dadurch werden die Abbildungsfehler groß. In einem Abstand von dem Planspiegel ist ein weiterer Planspiegel angeordnet. Der Abstand ist etwa so groß wie die Breite des Gitters. Über diese Planspiegel wird der Strahl hinter das Gitter geleitet und erneut auf den sphärischen Spiegel. Von dort kann der Strahl ein weiteres Mal über das Gitter laufen. Der Eintrittsspalt der gezeigten Anordnung liegt seitlich oberhalb eines Planspiegels. Der Strahl läuft nicht genau parallel zur horizontalen Ebene, sondern leicht geneigt. Einer der Planspiegel wird in vertikaler Richtung so justiert, dass der Strahl nach dem zweiten Durchgang auf den Austrittsspalt trifft, der wiederum nicht in der horitzontalen Ebene, sondern etwas darüber liegt. Der Strahlengang verläuft also nicht in einer Ebene. Dies führt zu Justageaufwand und Abbildungsfehlern.
  • In 9 der gleichen Druckschrift ist ein Prismenmonochromator in Littrow-Anordnung gezeigt. Hier liegt der Eintrittsspalt jedoch an einer völlig anderen Stelle, als die Spiegel, mit welchen der weitere Durchgang bewirkt wird. Der Strahl wird mittels dreier Spiegel jeweils umgelenkt. Dabei wird ein wesentlicher Teil des von dem Eintrittsspalt ankommenden Strahls ausgeblendet. Das führt zu einer Verringerung der Intensität am Detektor und damit zu einer Verschlechterung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses. Auch sind die Spiegel, mit denen ein weiterer Durchgang bewirkt wird, in einem großen Abstand zueinander angeordnet, um ausreichend Platz für die Ablenkspiegel zu schaffen. Im Gegensatz zur erfindungsgemäßen Anordnung werden hier bei schlechterem Signal-zu-Rausch-Verhältnis eine große Anzahl an Bauteilen verwendet, die mit Kosten und Justageaufwand verbunden sind. Bei der Anordnung nach 10 der US 2 868 063 zeigt ähnliche Nachteile, wie die Anordnung der 1 und 9 der genannten Druckschrift.
  • Eine besonders hohe Auflösung lässt sich nur mit Anordnungen erreichen, die besonders wenig Abbildungsfehler aufweisen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hochauflösendes Spektrometer der eingangs genannten Art zu schaffen, mit welchem eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Auflösung bei gleichbleibender Größe der optischen Bauteile realisierbar ist.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die reflektierenden ebene Flächen miteinander einen rechten Winkel bilden, welche die dispergierte und fokussierte Strahlung zuerst in Richtung auf eine der jeweils anderen reflektierenden Flächen und dann in Richtung auf das dispergierende Element zurückreflektieren, und welche relativ zum Eintrittspalt in der Weise angeordnet sind, daß sich der Eintrittsspalt in der Schnittlinie der Ebenen befindet, welche durch die reflektierenden Flächen definiert sind, wobei der optische Strahlengang zwischen dem Eintrittspalt und dem Detektor in einer Ebene angeordnet ist.
  • Bei dieser Anordnung läuft der einlaufende Strahl vom Eintrittsspalt auf eine Kameraoptik. Die Kameraoptik erzeugt ein paralleles Strahlbündel. Das Strahlbündel läuft über das dispergierende Element und wird dort ein erstes Mal dispergiert. Von dem dispergierenden Element läuft die dispergierte Strahlung zurück zur Kameraoptik, welche die Strahlung in der Ebene des Eintrittsspaltes fokussiert. Der rücklaufende Strahl läuft dabei vom dispergierenden Element aus nicht exakt in sich selbst zurück, sondern bildet mit dem einlaufenden Strahl innerhalb der Dispersionsebene, einen kleinen Winkel. Die Dispersionsebene ist dabei durch den einlaufenden und den am dispergierenden Element abgelenkten Strahl definiert. Der Winkel ist so klein, daß die Abbildungsfehler klein bleiben.
  • Innerhalb der Dispersionsebene befindet sich auf beiden Seiten des Eintrittsspaltes jeweils eine reflektierende Fläche, zum Beispiel zwei kleine Planspiegel. Durch den kleinen Winkel zwischen einlaufendem und rücklaufendem Strahl einer Wellenlänge am dispergierenden Element, läuft der rücklaufende Strahl nicht zurück zum Eintrittsspalt, sondern trifft auf eine der reflektierenden Flächen. Die reflektierenden Flächen bilden einen rechten Winkel miteinander. Der rücklaufende Strahl wird also durch die erste reflektierende Fläche noch vor dem Fokus umgelenkt und trifft auf die zweite reflektierende Fläche. Dort wird der Strahl erneut umgelenkt. Dabei erfolgt eine Bildumkehr. Nach der zweifachen Umlenkung läuft der Strahl also um eine geringe Strecke parallelversetzt wieder in sich zurück.
  • Der parallelversetzt erneut einlaufende Strahl trifft zum zweiten Mal auf das dispergierende Element, wo er erneut dispergiert wird. Über die Kameraoptik wird der erneut rücklaufende Strahl dann am Rand der reflektierenden Fläche neben dem Eintrittsspalt vorbei auf einen Detektor gelenkt, der sich unmittelbar neben der reflektierenden Fläche in der Ebene des Eintrittsspaltes befindet.
  • Je nach Lage des dispergierenden Elements und Länge der reflektierenden Fläche können weitere Durchgänge realisiert werden. Dazu wird der Ablenkwinkel am dispergierenden Element verkleinert, so daß der erste rücklaufende Strahl dichter am Eintrittsspalt auf die reflektierende Fläche trifft. Der zweite und jeder weitere rücklaufende Strahl trifft etwas versetzt weiter außen auf die reflektierende Fläche, bis der letzte rücklaufende Strahl wie oben beschrieben an der reflektierenden Fläche vorbei auf den Detektor fällt.
  • Die Anordnung mit Bildumkehr bewirkt, daß der am dispergierenden Element realisierte Gangunterschied zwischen den Randstrahlen, der die Auflösung bestimmt, sich addiert. Die Auflösung kann daher wesentlich vergrößert werden. Die Größe der Bauteile ändert sich nicht.
  • Im Gegensatz zu Anordnungen mit mehreren Gittern werden hier lediglich zwei reflektierende Flächen, zum Beispiel kostengünstige Planspiegel verwendet. Die Anordnung ist weiterhin flexibel, da durch eine bloße Drehung des dispergierenden Elements die Auflösung eingestellt werden kann. Das hat den Vorteil, daß ein spektrales Gebiet auch in größerer Breite und mit etwas geringerer Auflösung betrachtet werden kann. Ein spektraler Ausschnitt geringerer Breite kann mit hoher Auflösung untersucht werden, ohne daß sich der Aufbau wesentlich ändert.
  • Der optische Strahlengang ist für alle Durchläufe zwischen dem Eintrittspalt und dem Detektor in einer Ebene angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung mit wenigen Elementen und geringen Abbildungsfehlern erreicht.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere reflektierende Fläche vorgesehen, und das Echelle-Gitterist so zwischen der Kameraoptik und dieser weiteren reflektierenden Fläche angeordnet, daß das dispergierte Licht von dem dispergierenden Element zunächst direkt auf die reflektierende Fläche, dann in sich zurück auf das dispergierende Element und erst dann zurück auf die Kameraoptik geleitet wird. Dann wird mit einem Umlauf ein doppelter Durchgang am dispergierenden Element realisiert.
  • Vorzugsweise ist die Kameraoptik von einem Parabolspiegel gebildet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung hoher Abbildungsgüte ohne chromatische Fehler und mit geringen Verlusten erreicht.
  • In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Detektoranordnung eine Optik zur vergrößerten Abbildung des Spektrums auf die Bildelemente des Detektors. Diese Optik kann von zwei Zylinderlinsen oder -spiegeln gebildet sein. Mit einer solchen Optik wird das hochaufgelöste Spektrum vergrößert, d.h. insbesondere bei gleichbleibender Höhe in der Breite „auseinandergezogen". Dann kann das Spektrum mit größeren Detektorelementen aufgenommen werden, ohne daß sich die Auflösung verschlechtert.
  • Vorzugsweise ist das Echelle-Gitter um eine Achse senkrecht zur Dispersionsebene drehbar. Die Drehung kann mit geeigneten Mitteln zum Beispiel einem Schrittmotor und einem Computer automatisiert werden. Dann kann die Änderung des Inspektionsbereichs, d.h. des betrachteten spektralen Bereichs auf besonders einfache Weise durchgeführt werden. Wenn zum Beispiel die spektrale Umgebung einer Linie untersucht werden soll, kann der Inspektionsbereich vergrößert werden, indem das Gitter auf einfachen Durchgang gestellt wird. Der rücklaufende Strahl läuft vom Gitter aus über die Kameraoptik direkt zur Detektoranordnung. Dann wird das Spektrum mit entsprechend geringerer Auflösung aufgenommen. Wenn ein Linienprofil möglichst hoch aufgelöst untersucht werden soll, wird das Gitter so eingestellt, daß ein zwei- oder mehrfacher Durchgang erfolgt. Der Strahl läuft dann mehrfach um, bevor er auf die Detektoranordnung fällt. Dann ist der Inspektionsbereich entsprechend kleiner.
  • In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die reflektierenden Flächen einen Winkel von jeweils 45 Grad zur optischen Achse des durch den Eintrittsspalt eintretenden Lichtstrahls auf. Dann ist die Anordnung symmetrisch um die optische Achse angeordnet und die Abbildungsfehler sind gering. Eine geringe Abweichung durch Dejustage infolge Drehung um eine Achse, die senkrecht zur Dispersionsebene ist, führt jedoch nicht zu einer störenden Veränderung der Strahlengänge.
  • Das Spektrometer ist besonders gut geeignet für die Verwendung zur Bestimmung von spektralen Profilen von Laserstrahlung. Laserstrahlung ist im allgemeinen schmalbandig und erfordert daher besonders hochauflösende Spektrometer zur Profilmessung. Dabei kann das spektrale Profil auch mittels eines derartigen Spektrometers überwacht durch Anpassung der Betriebsparameter des Lasers stabilisiert und optimiert werden.
  • Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Einige Ausführungsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine schematische Darstellung eines hochauflösenden Gitter-Spektrometers mit Retroreflektoren, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen zweifachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
  • 2 ist eine schematische Darstellung des Spektrometers aus 1, in welchem der Verlauf der Randstrahlen für einen einfachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
  • 3 ist eine schematische Darstellung des Spektrometers aus 1 und 2, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen einfachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
  • 4 zeigt eine Spektrallinie bei einfachem Gitterdurchgang
  • 5 zeigt die Spektrallinie aus 4 bei zweifachem Gitterdurchgang
  • 6 zeigt den Strahlverlauf im Bereich der Retroreflektoren bei fünf-fachem Gitterdurchgang
  • 7 ist eine schematische Darstellung eines alternativen hochauflösenden Gitter-Spektrometers, bei welchem der Strahl zunächst auf einen Planspiegel dispergiert wird und dann erneut über das Gitter läuft.
  • 8 ist eine schematische Darstellung des Spektrometers aus 1 bis 3, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen dreifachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist
  • Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
  • In 1 ist ein hochauflösendes Spektrometer 10 schematisch dargestellt. Das Spektrometer 10 umfasst einen Eintrittsspalt 12, einen Kameraspiegel 14, ein Echelle-Gitter 16, zwei Planspiegel 18 und 20, sowie einen Detektor 22. In 1 ist der Mittenstrahl 24 der durch den Eintrittsspalt 12 eintretenden Strahlung dargestellt. Pfeile 1-8 zeigen die Laufrichtung des Mittenstrahls an, wobei die Reihenfolge des Strahlverlaufs der Nummerierung 1-8 entspricht.
  • Die aus einer nicht dargestellten Lichtquelle emittierte Strahlung tritt durch den Eintrittsspalt 12 in das Spektrometer 10 ein. Dies ist durch einen Pfeil 1 dargestellt. Sie trifft dann auf den Kameraspiegel 14. Der Kameraspiegel 14 ist als Off-Axis-Parabolspiegel ausgebildet. Durch die parabolisch geformte reflektierende Oberfläche 26 wird die divergente Strahlung parallelisiert und in Richtung auf das Echelle-Gitter 16 abgelenkt. Dies ist durch einen Pfeil 2 dargestellt. Die Oberfläche 26 ist mit einer Verspiegelung versehen, die auch im UV-Bereich unterhalb von 200 nm noch eine hohe Reflektivität aufweist.
  • In 2 sind die Randstrahlen 1' und 2' dargestellt. Dort erkennt man den Effekt des Parabolspiegels 14 auf das Strahlbündel. Der einlaufende, parallele Strahl trifft auf das Gitter 16 und wird dort dispergiert. Das Gitter 16 ist um eine Achse 28 drehbar gelagert. Das Gitter 16 ist als Echelle-Gitter ausgebildet. Durch einen großen Blaze-Winkel am Echelle-Gitter 16 wird ein großer Gangunterschied 38 zwischen den Randstrahlen 2' und 2'' erzeugt. Dadurch wird die Strahlung in hoher Beugungsordnung stark dispergiert. Auf diese Weise wird bereits mit einem Durchgang eine hohe Auflösung erreicht.
  • Das Gitter 16 ist analog zu einer Littrow-Anordnung so positioniert, daß der in 1 mit 3 bezeichnete Mittenstrahl einer Wellenlänge bis auf einen kleinen Winkel γ in sich zurückläuft. Der Winkel γ ist in der Praxis wesentlich kleiner, als hier dargestellt. Die Winkel in 1 sind nur zur Veranschaulichung größer gezeichnet. Nach einer weiteren Reflexion am Kameraspiegel 14 wird der rücklaufende Strahl zurück in Richtung auf den Eintrittsspalt gelenkt. Dies ist in 1 durch einen Pfeil 4 dargestellt. Der Fokus liegt dabei in der Ebene 30 des Eintrittsspalts 12. Durch den Winkel γ liegt der Fokus jedoch nicht exakt im Eintrittsspalt 12, sondern etwas daneben. Dort ist unmittelbar neben dem Eintrittsspalt 12 im Strahlengang ein erster Planspiegel 18 angeordnet. Der Planspiegel 18 ist unter einem Winkel von +45° (im Uhrzeigersinn) zur dem Mittenstrahl 14 entsprechenden optischen Achse angeordnet. Der rücklaufende Strahl wird daher rechtwinklig nach oben in 1 abgelenkt. Der Fokus liegt dann auf der optischen Achse des Eingangsstrahls (Pfeil 1). Auf der anderen Seite des Eintrittsspalts 12 ist ein weiterer Planspiegel 20 angeordnet. Dieser Planspiegel ist unter einem Winkel von –45° (im Uhrzeigersinn) zur optischen Achse angeordnet. Die Spiegelebenen der Spiegel 18 und 20 bilden einen rechten Winkel und schneiden sich entlang einer Schnittlinie, die mit der Mittellinie des Eintrittspaltes 12 zusammenfällt. Der Strahl wird an diesem Spiegel 20 ein weiteres Mal rechtwinklig abgelenkt. Nach der zweifachen Ablenkung an den Spiegeln 18 und 20 läuft der Strahl um einen Abstand 32 versetzt zurück in Richtung auf den Kameraspiegel 14. Dies ist durch einen Pfeil 5 dargestellt.
  • Bei der zweifachen Reflexion an den Planspiegeln 18 und 20 erfolgt eine Bildumkehr. Das bedeutet, daß der Gangunterschied 38 der Randstrahlen am Gitter addiert wird. Dadurch wird die Auflösung durch den nun folgenden zweiten Gitterdurchgang maximal vergrößert. Der erneut einlaufende Strahl 5 wird von dem Kameraspiegel 14 erneut parallelisiert (2) und als paralleler Strahl 6 in Richtung auf das Gitter 16 reflektiert. Der zweifach dispergierte Strahl 7 läuft wieder zurück zum Kameraspiegel 14. Der erneut rücklaufende Strahl 7 hat nun eine Winkeldifferenz von 3γ gegenüber dem Strahl 6. Entsprechend trifft der Strahl auf eine andere Stelle auf dem Kameraspiegel 14 und wird an einer noch weiter versetzten Stelle in der Ebene des Eintrittsspaltes 12 fokussiert. An dieser Stelle sitzt eine schematisch dargestellte Detektoranordnung 22. Durch den weiteren Versatz des Strahls 8 gegenüber dem ersten rücklaufenden Strahl 4 um einen Abstand 3γ läuft der Strahl diesmal am äußeren Rand 36 des Spiegels 18 vorbei und trifft auf die Detektoranordnung 22.
  • Die Detektoranordnung 22 kann aus einem einfachen Zeilen- oder Flächendetektor bestehen. Hier ist jeder übliche Detektor, wie eine Photodiodenzeile, ein CCD- oder ein CID-Detektor geeignet. Es können dort aber auch Lichtleiter angeordnet sein, oder eine vergrößernde Optik aus zwei Zylinderlinsen oder -spiegeln, mit welchen das Bild des Eintrittsspaltes vergrößert wird. Das vergrößerte Bild wird dann mit einem der oben aufgeführten Detektoren aufgenommen. Dies hat den Vorteil, daß kommerziell erhältliche Detektoren mit größeren Detektorelementen verwendet werden können, ohne an Auflösung zu verlieren.
  • Das Gitter 16 ist um eine Achse 28 drehbar angeordnet. Durch Drehung in eine geeignete Position kann der Strahl so ausgerichtet werden, daß der Winkel γ zwischen dem ankommenden und abgehenden Strahl etwas größer wird. Dann wird fällt der rücklaufende Strahl nicht mehr auf den Spiegel 18, sondern direkt auf den Detektor 22. Dieser Fall ist in 3 dargestellt.
  • Der Effekt auf die Auflösung ist in den 4 und 5 dargestellt. Eine Laserlinie 40, die aus zwei Peaks besteht, ist in 4 nicht aufgelöst. Dafür wird bei begrenzter Detektorgröße ein größerer Bereich erfasst, in dem eine weitere Linie 42 liegt. Ein solches Spektrum wird erhalten, wenn das Gitter sich in der in 3 dargestellten Position befindet. In 5 ist ein Spektrum für die gleiche Laserlinie mit höherer Auflösung gezeigt. Die Linie 42 aus 4 kann nicht erfasst werden, da der Inspektionsbereich sich verkleinert hat. Dafür sind die Linienkomponenten 44 und 46 der Linie 40 nun vollständig getrennt. Das Profil kann mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Die höhere Auflösung wird erreicht, indem das Gitter 16 in eine Stellung gebracht wird, bei welcher der Winkel γ so klein ist, daß ein zwei- oder mehrfacher Gitterdurchgang erreicht wird, wie es in 1 dargestellt ist.
  • Wenn die Auflösung weiter erhöht werden soll, wird das Gitter 16 in eine Stellung gedreht, bei welcher der Winkel γ noch kleiner ist. Dann läuft der Strahl solange zwischen den Spiegeln 18, 20 und dem Gitter hin und her, bis er am Spiegel 18 vorbeiläuft und auf den Detektor 22 trifft. In 6 ist eine Situation für einen 5-fachen Gitterdurchgang dargestellt. Der Strahl 50 läuft vom Eintrittsspalt 12 zum Gitter 16, wird dort dispergiert und läuft um einen kleinen Winkel versetzt zurück. Der einfach dispergierte, zurücklaufende Strahl 52 wird vom Kameraspiegel 14 fokussiert und am Spiegel 20 reflektiert. Der Fokus 53 liegt auf der optischen Achse des Strahls 50 auf dem halben Weg zwischen den Spiegeln 18 und 20. Am Spiegel 18 wird der Strahl erneut reflektiert und läuft zurück zum Gitter. Der rücklaufende Strahl ist mit 54 bezeichnet.
  • Am Gitter wird der Strahl erneut dispergiert. Der zurücklaufende Strahl 56 bildet einen gegenüber dem Strahl 50 noch größeren Winkel, so daß er weiter außen auf den Spiegel 20 trifft. Es gibt gerade so viele Umläufe, bis der Strahl an der Kante 58 des Spiegels 20 vorbei auf den Detektor läuft. Im Beispiel von 6 sind 5 Gitterdurchgänge verwirklicht.
  • Je nach gewünschter Auflösung kann durch die Gitterdrehung daher die Anzahl der Gitterdurchgänge eingestellt werden. In jedem Fall ist der Abbildungsfehler, der durch den Winkel γ entsteht gering, da der Detektor unmittelbar neben dem Eintrittsspalt und den Spiegeln angeordnet ist. Durch Verwendung von hochreflektierenden Schichten am Kameraspiegel und an den Planspiegeln können die Reflexionsverluste gering gehalten werden. Zur Minimierung der Abbildungsfehler erfolgt eine Drehung des Parabolspiegels um eine Achse senkrecht zur Dispersionsebene. Dies ist im allgemeinen aber nicht erforderlich.
  • Mit der gezeigten Anordnung kann eine extrem hohe Auflösung mit einer sehr geringen Anzahl an Komponenten erreicht werden. Nur das Gitter ist drehbar angeordnet. Alle übrigen Komponenten können fest angeordnet sein. Die Anordnung hat den Vorteil, daß die Kosten der Bauteile und der Justieraufwand gering bleiben. Gegenüber einem zweiten Gitter sind Planspiegel sehr kostengünstig und leicht zu justieren. Sie haben eine hohe Reflektivität und ermöglichen so einen hohen Lichtdurchsatz.
  • In 7 ist eine Ausgestaltung des obigen Ausführungsbeispiels dargestellt. Hier wird ein Planspiegel 62 hinter dem Gitter angeordnet. Bei einer solchen Anordnung läuft der Strahl vom Gitter 16 zunächst zum Planspiegel 62 und von dort zurück auf das Gitter 16.
  • Dort wird die Strahlung erneut gebeugt. Es erfolgt also jedesmal ein zweifacher Durchgang am Gitter, bevor der Strahl in Richtung auf die Spiegel 18, 20, bzw. den Detektor 22 zurückläuft. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß mit nur einer zusätzlichen, vergleichsweise kostengünstigen, optischen Komponente die Gesamtzahl an Reflexionen bei gleicher Anzahl an Gitterdurchläufen reduziert werden kann. Staub oder Kratzer auf den Spiegeln verursachen dann weniger Streulicht.
  • Auch bei dieser Anordnung kann durch Drehung des Gitters die Auflösung eingestellt werden. Das Gitter kann in die Position gebracht werden, bei der kein Durchgang über den Spiegel 62 erfolgt. Außerdem kann die Anzahl der Durchgänge über die Anzahl der Reflexionen an den Spiegeln 18 und 20 eingestellt werden.
  • In 8 ist der Fall dargestellt, bei dem ein dreifacher Gitterdurchgang realisiert ist. Der Strahl läuft entsprechend den Nummerierungen 1-12 zum Gitter und zurück zu den Speigeln 18 und 20. Man erkennt im Vergleich zu der Anordnung in 1, daß sich an der Anordnung lediglich die Gitterstellung des Gitters 16 verändert hat. Alle übrigen optischen Komponenten bleiben gleich. Das Gitter 16 wurde um die Achse 28 um einen geringen Winkel gedreht. Diese Drehung kann von Hand oder computergesteuert mit einem Schrittmotor erfolgen.

Claims (12)

  1. Hochauflösendes Spektrometer (10) mit einem Eintrittsspalt (12), einem Echelle-Gitter (16), einer Kameraoptik (14), und einer Detektoranordnung mit einem Detektor (22), welche analog zu einer Littrow-Anordnung so zueinander angeordnet sind, daß Strahlung, welche durch den Eintrittsspalt (12) in das Spektrometer (10) eintritt, mittels der Kameraoptik (14) auf das dispergierende Element (16), und danach bis auf einen kleinen Winkel (γ) in sich zurück über die gleiche Kameraoptik (14) leitbar und auf dem Detektor (22) fokussierbar ist, wobei Mittel (18, 20) zur Erzeugung einer Mehrfachdispersion durch das gleiche Echelle-Gitter (16) vorgesehen sind, welche wenigstens zwei reflektierende, ebene Flächen (18, 20) umfassen, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (18, 20) miteinander einen rechten Winkel bilden und die dispergierte und fokussierte Strahlung (3) zuerst in Richtung auf eine der jeweils anderen reflektierenden Flächen und dann in Richtung auf das Echelle-Gitter (16) zurückreflektieren, und so angeordnet sind, daß sich der Eintrittsspalt (12) in der Schnittlinie der Ebenen befindet, welche durch die reflektierenden Flächen (18, 20) definiert sind, wobei der optische Strahlengang zwischen dem Eintrittspalt (12) und dem Detektor (22) in einer Ebene angeordnet ist.
  2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen von Spiegeln (18, 20) gebildet sind.
  3. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (18, 20) die Seiten eines Prismas sind.
  4. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere reflektierende Fläche (62) vorgesehen ist, und das dispergierende Element (16) so zwischen der Kameraoptik (14) und dieser weiteren reflektierenden Fläche (62) angeordnet ist, daß die dispergierte Strahlung von dem Echelle-Gitter (16) zunächst direkt auf die reflektierende Fläche (62), dann in sich zurück auf das Echelle-Gitter (16) und erst dann zurück auf die Kameraoptik (14) geleitet wird.
  5. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraoptik (14) von einem Parabolspiegel gebildet ist.
  6. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Optik zur Nachvergrößerung des Bildes des Eintrittsspaltes in der Austrittsebene vorgesehen ist.
  7. Spektrometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik von zwei Zylinderlinsen gebildet ist.
  8. Spektrometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik von zwei Zylinderspiegeln gebildet ist.
  9. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Echelle-Gitter (16) um eine Achse (28) senkrecht zur Dispersionsebene drehbar ist.
  10. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (18, 20) einen Winkel von 45 Grad zur optischen Achse (1) des durch den Eintrittsspalt (12) eintretenden Strahls aufweisen.
  11. Verwendung eines Spektrometers nach einem der vorgehenden Ansprüche zur Bestimmung von spektralen Profilen von Laserstrahlung.
  12. Verwendung eines Spektrometers nach einem der Ansprüche 1 bis 10 zur Stabilisierung von spektralen Profilen von Laserstrahlung.
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