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Technisches
Gebiet
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
besonders hohe Auflösung
lässt sich nur
mit Anordnungen erreichen, die besonders wenig Abbildungsfehler
aufweisen.
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Offenbarung
der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Vorzugsweise
ist die Kameraoptik von einem Parabolspiegel gebildet. Dadurch wird
eine kompakte Anordnung hoher Abbildungsgüte ohne chromatische Fehler
und mit geringen Verlusten erreicht.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Ausgestaltungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Einige Ausführungsbeispiele
sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
eine schematische Darstellung eines hochauflösenden Gitter-Spektrometers mit
Retroreflektoren, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen
zweifachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
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2 ist
eine schematische Darstellung des Spektrometers aus 1,
in welchem der Verlauf der Randstrahlen für einen einfachen Gitterdurchgang eingezeichnet
ist.
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3 ist
eine schematische Darstellung des Spektrometers aus 1 und 2,
in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen einfachen Gitterdurchgang
eingezeichnet ist.
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4 zeigt
eine Spektrallinie bei einfachem Gitterdurchgang
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5 zeigt
die Spektrallinie aus 4 bei zweifachem Gitterdurchgang
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6 zeigt
den Strahlverlauf im Bereich der Retroreflektoren bei fünf-fachem
Gitterdurchgang
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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.
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8 ist
eine schematische Darstellung des Spektrometers aus 1 bis 3,
in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen dreifachen Gitterdurchgang
eingezeichnet ist
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Beschreibung
eines Ausführungsbeispiels
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.