DE1080796B

DE1080796B - Inclined grating spectrograph

Info

Publication number: DE1080796B
Application number: DEB23078A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Ing Dr-Ing Heinz Barth
Original assignee: Dipl-Ing Dr-Ing Heinz Barth
Current assignee: Dipl-Ing Dr-Ing Heinz Barth
Priority date: 1952-11-25
Filing date: 1952-11-25
Publication date: 1960-04-28

Description

S chräggitter- Sp ektro graph Auflösungsvermögen, Dispersion, Lichtstärke und technischer Aufwand kennzeichnen die Güte eines Spektrographen.Inclined grating spectro graph resolving power, dispersion, luminous intensity and technical effort characterize the quality of a spectrograph.

Dem jeweiligen Zweck entsprechend werden optimale Lösungen zugunsten einer besonderen Eigenschaft gesucht. According to the respective purpose, optimal solutions are in favor looking for a special property.

Um hohe Auflösungen zu erzielen, sind zum Teil als Dispersionsmittel Strichgitter mit hoher Strichzahl verwendet worden. Die optische Aufstellung erfolgt bekanntlich nach Fraunhofer senkrecht zum parallelen Strahl oder nach Littrow und R. W. Wood in Autokollimation mit ))blazing«-Gitter oder nach Rowland auf einem Fokussierungskreis mit einem Konkavgitter. Obwohl die Vorteile der Gitter in der Ultraviolett- und besonders in der Ultrarotspektroskopie gegenüber den teuren Quarz-und Kalziumfluoridprismen großer Basis bekannt sind, wurden sie nur selten verwendet. Ursachen sind die durch Gitterfehler bedingte Herabsetzung des theoretischen Auflösungsvermögens sowie auch Geisterbildung und die oft sehr große Ausdehnung der optischen Einrichtung. In order to achieve high resolutions, some are used as a dispersant Line grids with a high number of lines have been used. The visual installation takes place as is well known according to Fraunhofer perpendicular to the parallel beam or according to Littrow and R. W. Wood in autocollimation with ") blazing" grids or according to Rowland on one Focusing circle with a concave grating. Although the advantages of the grid in the Ultraviolet and especially in the ultrared spectroscopy compared to the expensive quartz and Large base calcium fluoride prisms are known, they have rarely been used. The causes are the reduction in the theoretical resolution due to lattice errors as well as ghosting and the often very large size of the optical device.

Alle nach dem Rowland-Verfahren hergestellten Gitter haben Fehler, teils dadurch Ungenauigkeit der Teilmaschine, teils jedoch durch das Prinzip der Teilmaschine selbst, die das Auflösungsvermögen aus Ordnungszahl mal Strichzahl zum Teil zum den Faktor 10 bis 20 herabsetzen. Wegen der Bedeutung der Gitter für die Ultrarotspektroskopie (Struktur der Moleküle) und auch für die Astronomie (Magnetfelder und magnetische Wirbel der Sonne) sind verschiedene neue Teilmaschinen entwickelt worden, von denen die nach dem Mertonschen Fehlerausgleichsverfahren gebaute Maschine fast fehlerfreie und preiswerte Gitter liefert.All grids made according to the Rowland process have defects, partly due to the inaccuracy of the submachine, partly due to the principle of Sub-machine itself, which has the resolving power from the ordinal number times the number of lines in some cases by a factor of 10 to 20. Because of the importance of the grid for the ultrared spectroscopy (structure of the molecules) and also for astronomy (magnetic fields and magnetic eddies of the sun) various new sub-machines have been developed of which the machine built according to Merton's error compensation method delivers almost flawless and inexpensive grids.

Es besteht nun die Aufgabe, die hohe Auflösung guter Strichgitter mit geringerem technischem Aufwand, also mit möglichst kleinen Spektrographenlängen zu erreichen. The task now is to ensure the high resolution of good line grids with less technical effort, i.e. with the smallest possible spectrograph lengths to reach.

Bekanntlich ist die durch das Gitter auflösbare Halbwertbreite im Spektralapparat von der durch die optische Einrichtung bedingten Spaltbildbreite überlagert. It is known that the half-value width im resolvable by the grating is The spectral apparatus depends on the width of the slit image caused by the optical device superimposed.

Da das theoretische Auflösungsvermögen winkelunabhängig ist, wurden die Plangitter im Dispersionsminimum, -also bei fast senkrechtem Einfall aufg#-bBe-Er-;u5 dire Brennweite so gewählt, daß die Spaltbildbreite gleich der auflösbaren Halbwertbreite ist. Bei dem neuen Lösungsweg ist die auflösbare Halbwertbreite im Dispersionsminimum mit einer wesentlich größeren Spaltbildbreite verbunden, jedoch wird durch Drehung des Gitters in den Bereich größter Dispersion das Auflösungsvermögen des Gitters voll ausgenutzt. Sind Gitterkonstante a und Ordnungszahl k konstant, so ist die Dispersion D nur vom Beugungswinkel a (Winkel zum Gitter) abhängig. dα k D= = . d# a #sinα Bezeichnet man die durch Gitter und Optik bedingte Gesamtauflösung mit T, so ist T = # dα = # D d# d# d# eine Funktion von Dispersion der auflösbaren Halbwertbreite und der Spaltbildbreite b im Winkelmaß ds = b/f, also auch der Brennweite f.Since the theoretical resolving power is independent of the angle, the plane lattice at the dispersion minimum, -also at almost perpendicular incidence on # -bBe-Er-; u5 The direct focal length is chosen so that the width of the slit image is equal to the resolvable half-value width is. In the new approach, the resolvable half-value width is in the dispersion minimum associated with a much larger slit image width, but is due to rotation of the grating in the area of greatest dispersion the resolving power of the grating fully exploited. If the lattice constant a and the atomic number k are constant, then the is Dispersion D only depends on the diffraction angle a (angle to the grating). dα k D = =. d # a # sinα This is the term used to describe the overall resolution caused by the grating and optics with T, then T = # dα = # D d # d # d # is a function of dispersion of the solvable Half-value width and the slit image width b in the angular dimension ds = b / f, i.e. also the focal length f.

A - f k a sm a . b # a # sin α Da Tma,r; =kN (Ordnungszahl mal Strichzahl) ist, kann für ideale Gitter das Verhältnis von Beugungswinkel und Brennweite berechnet werden. Die Brennweiten werden um so kleiner, je kleiner der Beugungswinkel a, also je streifender der Strahlenaustritt gewählt wird. A - f k a sm a. b # a # sin α Da Tma, r; = kN (ordinal number times the number of lines), the ratio of the diffraction angle and Focal length can be calculated. The focal lengths become smaller, the smaller the Diffraction angle a, i.e. the more grazing the beam exit is selected.

Da aO = f (a), ist der Einfallswinkel a0 festgelegt und unter dieser Bedingung bei hochdispergierenden Gittern also der Strahleneinfall stets nicht streifend. Since aO = f (a), the angle of incidence a0 is fixed and below this The condition for highly dispersed gratings is that the incidence of radiation is always non-grazing.

Die zur Spektrographie weicher Röntgenstrahlen verwendeten Gitter arbeiten bekanntlich aus Intensitätsgründen im Bereich der Totalreflexion, also bei streifendem Einfall. In der optischen Spektroskopie kann ein optimales Verhältnis von Auflösung zu Brennweite, also zum technischen Aufwand, mit einem schräggestelltem Plangitter bei streifendem Austritt, jedoch nicht streifendem Einfall erreicht werden. Da alle Spektralbereiche bei möglichst hoher Auflösung untersucht werden sollen, ist es für die technische Lösung zweckmäßig, einen bestimmten Beugungswinkel a zwischen 0 und 10° starr gegen die Kameraachse und die verschiedenen Wellenlängen durch Veränderung des Einfallswinkels αa0 (da ;t f (a0) für a = konstant) einzustellen. The gratings used for soft X-ray spectrography are known to work for reasons of intensity in the area of total reflection, that is at a grazing idea. In optical spectroscopy, an optimal ratio from resolution to focal length, i.e. to the technical effort, with an inclined Plan lattice can be achieved with grazing exit, but not grazing incidence. Since all spectral ranges should be examined with the highest possible resolution, it is useful for the technical solution, a certain diffraction angle a between 0 and 10 ° rigid against the camera axis and the different wavelengths due to change of the angle of incidence αa0 (da; t f (a0) for a = constant).

Gemäß der Erfindung wird daher eine Anordnung getroffen, bei der ein Reflexions- oder Durchlaß-Plangitter unter einem Beugungswinkel a zwischen 0 und 10° starr gegen die Kameraachse aufgestellt ist, während der EinfallswinkelaO zwischen 30 und 90" variiert werden kann. An Hand der Fig. 1 und 2 sei der Erfindungsgegenstand näher erläutert. According to the invention, therefore, an arrangement is made in which a reflection or transmission plane grating at a diffraction angle α between 0 and 10 ° is set up rigidly against the camera axis, while the Angle of incidence aO can be varied between 30 and 90 ". With reference to FIGS. 1 and 2, the subject of the invention is explained in more detail.

In Fig. 1 ist der Strahlengang eines festarmigen Spektrographen, bei dem Kollimatorachse und Kameraachse parallelliegen, dargestellt. Der Spalt 1 liegt in der Brennebene der Kollimatorlinse. Das vom Kollimator austretende parallele Strahlenbündel fällt auf einen Planspiegel 2. Der Planspiegel 2 kann in Richtung der Kollimatorachse und zugleich um eine in der Kollimatorachse senkrecht zur Zeichenebene stehende Achse gedreht werden, so daß der Einfallswinkel aO auf das Reflexions-Plangitter 3 zwischen 30 und 90" eingestellt werden kann. In Fig. 1 the beam path of a solid-armed spectrograph is with the collimator axis and camera axis lying parallel, shown. The gap 1 lies in the focal plane of the collimator lens. The parallel one emerging from the collimator The bundle of rays falls on a plane mirror 2. The plane mirror 2 can move in the direction the collimator axis and at the same time about one in the collimator axis perpendicular to the plane of the drawing standing axis are rotated so that the angle of incidence aO on the reflection plane grating 3 can be set between 30 and 90 ".

Die Bewegung des Planspiegels 2 kann in Einheiten des Einfallswinkels aO oder für ein bestimmtes Reflexions-Plangitter 3 in Wellenlängen geeicht werden. Es wird dann jeweils die Wellenlänge angezeigt, die bei konstantem Beugungswinkel a in der Kameraachse auf der Platte 4 erscheint. Die Kameralinse kann zur Korrektion fokaler Fehler des Reflexions-Plangitters 3 in Richtung der Kameraachse verschoben werden. Um einen großen Spektralbereich untersuchen zu können und um Überlappungen zu vermeiden, muß ein hochdispergierendes Gitter mit etwa zwei Ordnungen verwendet werden. Wird z.B. für eine Wellenlänge von 6000 Ä eine Halbwertbreite von 0,06 Å, also eine Auflösung von 100 000 in erster Ordnung gewünscht, so ist bei einem 100 000-Str.-Gitter mit einer Gitterkonstante von a = 16000 Ä und einer Spaltbildbreite von 0,04 mm bei einem Beugungswinkel von a = 10° eine Strahlenganglänge von 6 m und, da nach Fig. 1 die Strahlengänge parallellaufen, eine Spektrographenlänge von etwa 3 m erforderlich. Die lineare Dispersion beträgt annähernd 1 Ä 1 mm. Man erfaßt mit einer Plattenlänge von 15 cm einen Wellenlängenbereich von 150 Å, was einem Beugungswinkelbereich von 3° entspricht. Das Na-Duplett D12 mit einem Wellenlängenunterschied von 6 A hat dann auf der Platte einen Abstand von 6 mm. Soll ein Spektralbereich von 2000 bis 13000 Ä benutzbar sein, so muß der Einfallswinkel aO in erster Ordnung von 30,8 bis 800 und in zweiter Ordnung von 41,9 bis 90" einstellbar sein. Die Gesamtauflösung nimmt dabei mit der Wellenlänge zu. In der bisher üblichen Aufstellung müßte ein Gitterspektrograph gleicher Leistung eine Strahlenganglänge von 22 m haben. Andererseits lassen sich in dieser Schräggitteraufstellung auch mit kleineren Spektrographen relativ hohe Auflösungen erzielen. So können z.B. mit einem 6000-Str.-Gitter, a = 16000 Ä, einem Beugungswinkel von a = 10° und einer Strahlenganglänge von nur 34,5 cm Linien mit einem Wellenlängenabstand von 1 Ä aufgelöst werden. The movement of the plane mirror 2 can be in units of the angle of incidence aO or for a specific reflection plane grating 3 are calibrated in wavelengths. The wavelength is then displayed at a constant diffraction angle a appears in the camera axis on plate 4. The camera lens can be used for correction focal error of the reflection plane grating 3 shifted in the direction of the camera axis will. To be able to examine a large spectral range and to avoid overlaps To avoid this, a highly dispersed grid with about two orders must be used will. If, for example, a half-value width of 0.06 Å for a wavelength of 6000 Å, So if you want a resolution of 100,000 in the first order, a 100 000-Str. Grid with a grid constant of a = 16000 Å and a slit image width of 0.04 mm at a diffraction angle of a = 10 ° a beam path length of 6 m and, since according to FIG. 1 the beam paths run parallel, a spectrograph length of about 3 m required. The linear dispersion is approximately 1 Å 1 mm. One grasps with a plate length of 15 cm has a wavelength range of 150 Å, which is a Corresponds to a diffraction angle range of 3 °. The Na doublet D12 with a wavelength difference of 6 A then has a distance of 6 mm on the plate. Should be a spectral range from 2000 to 13000 Ä can be used, the angle of incidence aO must be of the first order be adjustable from 30.8 to 800 and in the second order from 41.9 to 90 ". The total resolution increases with the wavelength. In the list that has been customary up to now, a Grating spectrograph of the same power have a beam path length of 22 m. on the other hand can also be used with smaller spectrographs in this inclined grid arrangement achieve relatively high resolutions. For example, with a 6000 grid, a = 16000 Å, a diffraction angle of a = 10 ° and a beam path length of only 34.5 cm lines with a wavelength spacing of 1 Å can be resolved.

Die beschriebene Schräggitteranordnung kann auch in anderen bekannten Spektrographeneinrichtungen ver- wendet werden. In Fig. 2 wird ein Durchlaß-Plangitter 6 unter einem Beugungswinkel a starr zur Kameraachse aufgestellt und der Einfallswinkel aO durch Drehung der Kamera um eine im Schnittpunkt von Kollimator- und Kameraachse senkrecht zur Zeichenebene liegende Achse verändert. Die Kameralinse ist in Richtung der Kameraachse verstellbar. Zur Bestimmung der Wellenlänge in der Kameraachse wird auf einem Goniometer der Einfallswinkel aO abgelesen. The oblique grid arrangement described can also be used in other known Spectrograph equipment be turned. In Fig. 2 there is shown a transmission plane grating 6 set up rigidly to the camera axis at a diffraction angle a and the angle of incidence aO by rotating the camera around an axis at the intersection of the collimator and camera axis axis perpendicular to the plane of the drawing changed. The camera lens is towards the camera axis adjustable. To determine the wavelength in the camera axis the angle of incidence aO read on a goniometer.

Es lassen sich noch verschiedene Anordnungen angeben, in denen durch die Schräggitteraufstellung eine hohe Auflösung mit kleineren Spektrographenlängen, also mit wesentlich geringerem Aufwand als bei den bekannten Spektrographen zu erreichen ist. Eine gewerbliche Anwendung des Schräggitter-Spektrographen ist zur Spektralanalyse im gesamten optischen und besonders im ultravioletten und ultraroten Spektralgebiet mit geringerem Aufwand als bisher möglich. Different arrangements can be specified in which through the inclined grating has a high resolution with smaller spectrograph lengths, thus to achieve with significantly less effort than with the known spectrographs is. One commercial application of the slanted grating spectrograph is for spectral analysis in the entire optical and especially in the ultra-violet and ultra-red spectral region with less effort than previously possible.

PATENTANSPROCHE: 1. Schräggitter-Spektrograph mit einem Reflexions-oder Durchlaß-Plangitter und streifendem Austritt der gebeugten Strahlen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahleneinfallswinkel (aO) zwischen 30 und 900 beliebig wählbar und das Gitter starr unter einem kleinen Beugungswinkel (a) zwischen 0 und 10° gegen die Kameraachse geneigt aufgestellt ist. PATENT CLAIMS: 1. Inclined grating spectrograph with a reflection or Transmission plane grating and grazing exit of the diffracted rays, characterized in that that the angle of incidence of rays (aO) between 30 and 900 can be freely selected and that Grating rigid at a small diffraction angle (a) between 0 and 10 ° against the Camera axis is inclined.

Claims

2. Inclined grating spectrograph according to claim 1, characterized in that that a division is attached to the device indicating the angle of incidence is on which the wavelength as a function of the angle of incidence for a given Diffraction angle is readable.

3. Inclined grating spectrograph according to claim 1, characterized by the use of a plane mirror with the option of setting the angle of incidence in known spectrograph systems housed in two rooms, their optical Axes either form a small rigid angle with each other or lie parallel.

4. Inclined grating spectrograph according to claim 1, characterized by the pivotability of the rigidly connected to the grid at a small angle of deflection Camera axis against the collimator axis to adjust the angle of incidence.

Publications considered: German Patent No. 737 161; M. Siegbahn, »Spectroscopy of X-rays, 2nd edition 1931, p. 51 and 56.