DE1909841B2 - Spektrometer - Google Patents

Description

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Die Erfindung betrifft ein Spektrometer der im Oberbegriff des Anspruchs I genannten Art.

Spektrometer sind Vorrichtungen zum Messen der spektralen Energieverteilung in Strahlung, die durch eine Einlaßblende eintritt. Ganz allgemein unterscheidet man zwei Arten von Spektromeiern; den Dispersionstyp, bei dem eine räumliche Konzentration der Energie als eindeutige Funktion der Wellenlänge erfolgt, und den Interferometertyp, bei dem räumlich verteilte Interferenzmuster als Funktion der Wellenlänge erzeugt werden. Der Dispersionstyp überall dort verwendet werden, wo ein besonderer Wellenlängenbereich isoliert weiden soll, d. h. bei Versuchen, die von der Energie pro Photon der einfallenden Strahlung abhängen. Zur Dispersion oder Beugung können üblicherweise zwei Verfahren benutzt werden, wobei eines ein Prisma und das andere ein Gitter verwendet. Die Anwendung der bisherigen Verfahren hing von der Änderung der Photonengeschwindigkeit als Funktion der Photonenenergie ab und wurde daher sehr stark von den zur Verfügung stehenden passenden Materialien beeinflußt. Das letztgenannte Verfahren benutzt die Interferenz von Wellen, die von verschiedenen Bereichen einer gerasterten Fläche reflektiert werden. Da Interferenzen zwischen allen Wellen benachbarter Spalten eines Gitters auftreten können, ist die räumliche Trennung als Funktion der Wellenlänge nicht eindeutig. Es ist daher erforderlich, zusammen mit dem Gitter eine Möglichkeit zur Feststellung der Ordnungszahlen der Interferenzen vorzusehen.

Wegen der mechanischen Unterschiede in den Abmessungen und Winkeln der Spalten, die üblicherweise bei der Herstellung von bekannten Dispersionsgittern auftreten, war es nicht möglich, derartige Dispersionsgitter /ijr Messung von Wellenlängen im f>5 Bereich des sichtbaren Spektrums und dort zu benutzen, wo die Zahl der Wcllcnlängcnunterschicde zwischen benachbarten Spalten groß ist. Eine Ausnahme hierzu besteht in der Verwendung eines Echelle-Gitters für die !nfrarot-Spektroskopie, wo die Abmessungen der Spalte ausreichend groß sind, so daß die bei der maschinellen Herstellung auftretenden Toleranzen ausreichen. Neuere technische Verfahren zur Kontrolle des Gitterrasters machen es jedoch möglich, Echelle-Gitter mit ausreichender Genauigkeit zur Verwendung für hohe Ordnungszahlen in sichtbaren und ultravioletten Bereichen des Spektrums herzustellen. Spektrometer mit derartigen Gittern wurden bereits hergestellt, und zwar im allgemeinen als Kombination aus zwei in Reihe liegenden Spektrometern, von denen eines zur Festlegung der Ordnungszahl des anderen benutzt wird. Die meisten dieser Geräte arbeiten jedoch mit einer vorgegebenen Stellung bzw. Winkellage des Gitters und nur in einem kleinen Wellenbereich, da die üblichen Gitter mit hohem Auflösungsvermögen außerdem eine große Winkelstreuung hervorgerufen, die nicht auf verhältnismäßig einfache Weise gesammelt und gebündelt werden kann.

Es ist auch bereits ein Spektrometer mit einem Dispersionsprisma und einem diesem nachgeschalteten Echelle-Gitter, dessen Dispersionsrichtung im wesentlichen senkrecht zu der des Dispersionsprismas liegt, bekannt (Bausch & Lomb-Katalog D-260; Optics and Spectroscopy, Vol. 11, Nr. 5-6, 1961, Seiten 368-369), mit dem ein zweidimensionales Spektralbild erzeugt werden kann, in dem in der Horizontalen verschiedene Wellenlängen und in der Vertikalen Abbildungen verschiedener Ordnungen auftreten. Um bei diesem Spektrometer eine Verschiebung des Spektralbildes in der Brennebene in Richtung höherer oder niedrigerer Wellenlängen durchführen zu können, ist das Echelle-Gitter um eine parallel zu den Gitterstufen verlaufende Achse drehbar. Es ist jedoch nicht möglich, mit diesem bekannten Spektrometer das Spektralbild so zu verschieben, daß die Abbildungen unterschiedlicher Ordnung mit ausreichender Genauigkeit ausgewertet werden können.

Es ist demgegenüber Aufgabe der Erfindung, ein Spektrometer der im Oberbegriff des Anspruchs 1 erwähnten Art so auszugestalten, daß durch Verschiebung des Spaktralbildes nicht nur eine Ausrichtung der Abbildungen von höheren oder niedrigeren Wellenlängen in der Brennebene, sondern zusätzlich auch eine Verschiebung zur Erzielung von Abbildungen höherer oder niedrigerer Ordnungen erreicht werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe dienen die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale.

Dadurch, daß das erfindungsgemäße Spektrometer eine zusätzliche Drehachse des Echelle-Gitters aufweist, die in bestimmter Weise bezüglich der ersten, parallel zu den Gitterstufen ausgerichteten Drehachse angeordnet ist, wird es möglich, das erzeugte Spektralbild auch in Richtung von Abbildungen verschiedener Ordnung zu verschieben, so daß sich sowohl die gewünschte Wellenlänge bzw. der gewünschte Wellenlängenbereich als auch die gewünschte Ordnung des Spektralbildes genau in der Brennebene abbilden läßt.

Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Ausführungsbeispielc zeigenden Figuren näher erläutert.

Fig. I zeig! im Prinzip eine Aufsicht auf die Anordnung des Prismas bezüglich des Echelle-Gitters; F i g. 2 zeigt eine Ansicht entsprechend Fig. I;

F i g. 3 zeigt schematisch ein Spektrometer;

Pig.4 zeigt schemalisch ein optisches System zur Erzeugung eines Bildes der Gitterfläche in einem Spektrometer.

Die Fig. 1 und 2 zeigen die orinzipielle Anordnung von Dispersionsprisma und Echelle-Gitter sowie die Befestigung und die Drehachsen dieser beiden Elemente. Die von einer Quelle (nicht gezeigt) einfallende Energie trifft auf das Dispersionsprisma 11, das auf einer PrisrnaiidlteplaUe 18 betestigt und um die Achse 14 drehbar ist. Die einfallende Energie wird durch das \o Dispersionsprisma 11 hindurch und entlang einer sich in Richtung der Länge des Spaltes erstreckenden ersten Koordinate abgelenkt. Die so abgelenkte Strahlung vom Dispersionsprisma 11 fällt auf das Echelle-Gitter 12, das auf einer Gitterhalteplatte 17 befestigt ist, die eine parallel zu den Gitterspalten verlaufende Achse 16 aufweist und mit einer senkrecht zur Achse 16 und parallel zur Prismaachse 14 verlaufenden Achse 15 verbunden ist. Die Achse 14 ist an einer Halteplatte 19 befestigt, die rechtwinklig an der Grundplatte 13 angebracht ist. Die vom Echelle-Gitter 12 gebeugte Strahlung gelangt zurück durch das Dispersionsprisma, wo sie erneut gebrochen und auf einen nicht dargestellten Ausgangskollimator geleitet wird. Die Anordnung von Dispersionsprisma und Echelle-Gitter gemäß Fig. 1 und 2 ermöglicht eine maximale Dispersion bzw. Beugung durch die beiden Elemente, während Dispersionsprisma und Echelle-Gitter von mäßiger Größe sind und ein kompakter Strahl erzeugt wird, so daß die Anordnung gegenüber den bisher bekannten Anordnungen verhältnismäßig klein ist. Dabei läßt sich durch die Drehung des Dispersionsprismas um die Achse 14 der Winkel zwischen der einfallenden Energie und der Eintrittsfläche des Dispersionsprismas einstellen, ohne daß der Einfallspunkt auf der Einfallsfläche merklich verändert wird.

Wie den Figuren 1 und 2 zu entnehmen ist, sind das Dispersionsprisma und Echelle-Gitter auf einer vertikalen Halteplatte befestigt, die ihrerseits an einer Grundplatte angebracht ist. Die Lager für die Achsen sind aufrecht an der vertikalen Halteplatte befestigt. Die Grundplatte kann jedoch auch durch eine Welle am Instrumentenrahmen befestigt sein, welche um eine vertikale Achse drehbar ist, die durch den Schnittpunkt vom Mittelstrahl der einfallenden Energie und Einfallsfläche des Dispersionsprismas führt.

Die verwendeten Kollimatorspiegel sind entweder spärisch oder haben die Form von achsenentfernten Parabeln.

Fig. 3 zeigt im Prinzip ein Spektrometer, dem Energie von der Quelle 25 zugeführt wird. Die Energie wird durch eine Optik 26 auf eine Schlitzblende 21 gebündelt und gelangt durch diese hindurch auf den Kollimatorspiegel 22, der sie auf das Dispersionsprisma 11 leitet, das die Strahlung dispergiert. Von dort fällt die Strahlung auf das Echelle-Gitter 12. Das Dispersionsprisma 11 ist um die Achse 14 und das Echelle-Gitter 12 um die Achsen 16 und 15 (nicht dargestellt) drehbar. Die von den Spaltflächen im Echelle-Gitter 12 reflektierte Strahlung wird durch das Prisma zurück auf den f>o Kollimatorspiegel 23 geleitet, von wo es in der Ausgangsbrennebene gebündelt wird. In den vorstehenden Figuren ist die Orientierung des Kchcllc-Gittcrs derart gewählt, daß die reflektierte Strahlung vom Echelle-Gitter zum Ausgangskoüimaioi ein /wciics Ma! e,⁶, durch das Dispersionsprisma geleitet wird, l's ist jedoch auch möglich, das Echelle-Gitter derart auszurichten, daß die reflektierte Strahlung vom Echelle-GiUer unmittelbar zum Kollimator gelangt, ohne daß sie noch einmal durch das Dispersionsprisma geführt wird. Dies ist dann erwünscht, wenn die Streuenergie infolge der Streuung durch das Auffallen des eintretenden Strahls auf die Eintrittsfläche des Dispersionsprismas ausgeschieden werden soll.

Durch die Anordnung des Disnersionsprismas bezüglich des Echelle-Gitters im Spektrometer erhält man eine im wesentlichen quadratische Brennebene für mindestens eine Oktave des Spektralbereiches.

Bei dem beschriebenen Spektrometer ergibt sich eine Form der Brennebene, die besonders zur Verwendung von zweidimensionalen, elektrooptischen Fühlern geeignet ist. Als Fühler können beispielsweise Detektoranordnungen, Bildröhren, Bildverstärker, Bildwandler, Raum/Zeitverschlüsseler und optische Zuordner, etwa in der Brennebene angeordnete Lochplatten, verwendet werden.

Übliche Verfahren zur quantitativen Messung des Ausgangssignals eines Spektrometer benutzen entweder fotografischen Film als Zwischenspeicher mit nachfolgender quantitativer fotografischer Dichtemessung oder fotoelektrische Fühler zur Erzeugung eines elektrischen Ausgangssignals entsprechend der bestimmten auf den Fühler fallenden Wellenlänge. Die Form der Brennebene von üblichen Spektrotnetern ermöglicht nicht die Verwendung von zweidimensionalen elektrooptischen Anordnungen, beispielsweise von Bildröhren. Ein wesentlicher Vorteil der Form der Brennebene des Echelle-Spektrometers besteht darin, daß infolge der zweidimensionalen Verteilung und des Auflösungsmaßstabes zweidimensionale elektrooptische Meßelemente verwendet werden können. Ein weiterer Vorteil des Echelle-Spektrometers besteht in dem verhältnismäßig kleinen Winkelbereich der Strahlen, die das Bild in der Brennebene herstellen. Dadurch ist es verhältnismäßig einfach, die der Anfangsbrennebene nachfolgende Energie wieder zu sammeln und zusätzlich wieder abzubilden. Dies ist dann besonders vorteilhaft, wenn die Spektralwerte vor der elektrooptischen Anzeige geändert werden sollen. In denjenigen Fällen, in denen es bekannt ist, daß ein großer dynamischer Bereich der Spektralkomponenten vorhanden ist. kann eine entsprechende Filterung in der ersten Spektralebene vorgenommen werden, um den dynamischen Bereich zu kompensieren und örtliche Sättigungen der Anzeigeeinrichtung zu vermeiden sowie die Intensität der Spektrallinien anzugleichen, so daß Meßinstrumente mit begrenztem Dynamikbereich, beispielsweise Bildröhren, verwendet werden können.

In einem anderen Ausführungsbeispiel kann in der ersten Spektralebene ein Raum/Zeit-Verschlüsseler angeordnet und die abgestrahlte Energie in einem einzigen Detektor gesammelt werden. Bei diesem Verfahren erhält man eine eindeutige Zeitlolgekodierung entsprechend jedem Zerlegungselement in der spektralen Brennebene. Die entsprechende Intensität kann aus dem Ausgangssignal des einzigen Detektors durch Verwendung zeitlicher Autokorrelation gewonnen werden. Für den Fall, daß nur ein kleiner Teil der Spektralwerte gewünscht wird, kann nine mehrfache Wicderabbildung angewendet werden, wobei in der ersten spektralen Brennebene eine stationäre Maske angeordnet wird, während in der /weiten spektralen Brennebene, in der ein Raum/Zeit-Verschlüsseler angeordnet ist, eine Wiederabbildung erfolgt.

In F i g. 4 ist ein Beispiel für eine mehrfache Wiederabbildung gezeigt. Die Ausgangsenergic des

Spektrometer* 3t geht von der spektralen Brennebene 30 durch eine Sammeloptik 32 zur Erzeugung eines ersten Bildes 33 der Gittcrflächc. Der emittierte Strahl gelangt dann durch die Wiederabbildungsoptik 37 zur Erzeugung eines zweiten Bildes 34 der spektralen Brennebene und dann durch die Wicderabbildungsoplik 35, wo ein zweites Bild 36 der Gitterfläche erzeugt wird. Vorzugsweise wird eine räumliche Verschlüsselerschcibc oder eine andere Art von Verschlüsseier oder eine Bildröhre in der spektralen Brennebene 36 oder in einem nachfolgenden Bild der spektralen Brennebene 34 benutzt.

Die von dem Spektrometer erzeugten Linien in einer im wesentlichen quadratischen Brennebene ermöglichen außerdem die Verwendung von zweidimensionalen, elektrooptischen Anordnungen, wie Bildverstärkern und Bildumsetzern zusammen mit üblichen Bildwandlern, beispielsweise Vidikons oder Orthikons. Diese Anordnungen können die Empfindlichkeit des Systems verbessern oder den Spektralbereich der Bildröhre vergrößern.

Ferner können bei der Verteilung im Spektrometer zweidimensional, nicht kohärente optische Filter, etwa ein optischer Zuordner, verwendet werden. Dabei werden pro Element viele Spektrallinien benutzt, so daß die Empfindlichkeit gegenüber üblichen Anordnungen erhöht wird, die nur eine Spektrallinie pro Element benutzen.

Die Möglichkeit, mit dem Spektrometer einen großen Spektralbereich bei hoher Auflösung zu beobachten und zu messen, ist anwendbar, wenn die zu analysierende Energie von einer bekannten Quelle durch Emission von einem Material oder durch Absorption durch ein Material erzeugt wird. Für besondere Aufgaben können spezielle konstruktive Aufbauten gewählt werden, jedoch besteht der wesentliche Vorteil des Echelle-Spektrometcrs in der zweidimensionalen Form der Brennebene und dem Abbildungsmaßstab bei Beobachtung verschiedener Ordnungszahlen.

Ein geeignetes Echelle-Gitter für das Spektrometer hat 73,25 Linien pro Millimeter bei einer Neigung der wirksamen Spaltfläche (Blaze-Winkel) von etwa 63". Mit einem 30—60—90° Prisma aus Calciumfluorid erhält man die erforderliche Trennung und breite Abdeckung des Spektralbereiches. Brennweile und Schlitzgröße werden aufgrund des besonderen Instrumentenaufbaus und des Verwendungszweckes gewählt.

Die Dispersionsordnung kann beispielsweise eine Brennweite von einem Meter haben, um eine reziproke Dispersion von 1,4 Ä pro Millimeter bei einer Wellenlänge von etwa 5000 Ä oder von 0,7 Ä pro Millimeter bei 2500 Ä zu erreichen, wobei ein Spektralbcreich von 1500 Ä bis 6000 Ä in einer einzigen Fläche von 10 cm χ 12,7 cm in der Brennebene abgebildet wird. Die Auflösung beträgt bei 2500 Ä etwa 0,03 Ä bei einer Schlitzbreite von 50 Mikron.

Bei Verwendung einer Bildröhre, beispielsweise einem Vidikon, wird die Brennweite des Ausgangskollimators vorzugsweise auf etwa 125 mm verringert. Dadurch erhält man mit einem üblichen Vidikon eine reziproke Dispersion von 11,2 A pro Millimeter oder eine Auflösung von etwa 0,5 Ä.

Eine sehr kompakte Anordnung für ein elektronisches System erhält man mit einer Brennweite von 0,5 m. Die reziproke Dispersion ist dann vergleichbar mit der von üblichen 3-m-Geräten (2,8 A / mm), jedoch beträgt die vertikale Abmessung weniger als 30 cm und die Tiefe weniger als 61 cm. Die Auflösung ist etwa 0,1 A bei 5000 A (begrenzt durch die optischen Aberration).

Gegenüber bisher bekannten Anordnungen überstreicht das beschriebene Spektrometer gleichzeitig einen Wellenlängenbereich im Verhältnis 100 : 1 bei einem im wesentlichen konstanten Verhältnis von spektraler Auflösung und Wellenlänge. Ferner bleibt der Bereich des Dispersionswinkels klein, so daß ein sehr kompakter Aufbau möglich wird. Beispielsweise wurde für den ultravioletten Bereich bisher ein 10-m-Gerät benutzt, während im vorliegenden Fall nt:r ein 1 -m-Gerät erforderlich ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spektrometer mit einem EintrittsspMt. einem nachgeordneten Kollimatorspiegel, einer Strahlengang hinter dem Kollimatorspiegel angeordneten Dispersionsprisma zur Vorzerlegung sowie einem dem Dispersionsprisma nachgeschalteten Echelle-Gitter, dessen Dispersionsrichtung im wesentlichen senkrecht zu der des Dispersionsprismas liegt und '° das um eine parallel zu den Gitterstufen verlaufende erste Achse drehbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Echelie-Gitter (12) um eine zweite, senkrecht zur ersten Achse (16) verlaufende Achse (15), die parallel zur Eintrittsfläche des >⁵ Dispersionsprismas(l I) verläuft,drehbar ist.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsprisma (f 1) um eine durch die Mittellinie des einfallenden Strahls und parallel zur zweiten Achse (15) verlaufende Achse (14) drehbar ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Echelle-Gitter (12) derart ausgerichtet ist, daß die einfallende Strahlung durch das Dispersionsprisma (11) auf einen Kollimatorspiegel (23) gelenkt wird.