DE19626969A1 - Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse - Google Patents

Description

Die Neuerung betrifft ein Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1, der in den Unteransprüchen weiter präzisiert wird.

Zum breiten Einsatz in verschiedenen spektroskopischen Analy­ seaufgaben (z. B. Fotofinishing, Analysesysteme) wurden in den letzten Jahren miniaturisierte Spektrometersysteme vorge­ stellt. Diese Systeme bestehen neben dem diffraktiven Teil aus einer Photodiodenzeile, mit der das spektral zerlegte Licht in seiner Intensität als Funktion der Wellenlänge detektiert wird. In der Regel wird das Licht in den optischen Aufbau über eine Glasfaser, einen Querschnittswandler oder einen recht­ eckigen Spalt eingekoppelt. Konstruktionsbedingt ist mit die­ sen Systemen die Bestimmung der spektralen Zusammensetzung des Lichtes eines Leuchtflecks nur integral über der gesamten Flä­ che möglich.

Ein Beispiel eines solchen einkanaligen miniaturisierten Spek­ trometersystems ist das mit dem bekannten LIGA-Verfahren [1] hergestellte LIGA-Mikrospektrometer [2-5]. Dabei wird in ei­ nem planaren Wellenleiter (Polymer oder Luft) ein selbstfoku­ sierendes Reflexionsgitter, eine Faserführungsgrube für eine Einkoppelfaser (F), sowie gegebenenfalls ein Auskoppelspiegel in einem Schritt durch Abformtechnik hergestellt [6]. Durch die dadurch vorgegebene feste Position der optischen Elemente entfällt eine Kalibrierung des optischen Aufbaus. Je nach Art des zu verwendenden Photodetektors (D), z. B. Diodenarray, CCD, Streak-Kamera, Einzeldiode oder Photomultiplier, kann die Fokuszeile konstruktionsbedingt innerhalb oder außerhalb des Gittermikrospektrometers (GMS) liegen.

Für die Ankopplung an Faserplatten (FP) mit dahinterliegender Photokathode (PHC) oder anderer Photodetektoren kann die Ein­ kopplungsgeometrie durch eine integrierte Spiegelfläche in der Kernebene des Lichtwellenleiters so modifiziert werden, daß sich eine freie Auskoppelebene ergibt. Fig. 1 zeigt als Beispiel ein einkanaliges GMS dieser Konstruktion mit seitli­ chem Fasereingang und freiem Auskoppelbereich.

Eine wesentliche Erweiterung des Anwendungspotentials von Git­ termikrospektrometern für Absorptions-, Emissions- und Refle­ xionsmessungen bietet ein mehrkanaliger Aufbau von GMS, so daß eine zeitlich und räumlich parallele spektroskopische Analyse eines mehr oder weniger großen Lichtflecks möglich wird, oder mehrere lichtemittierende Quellen wellenlängen- und zeitabhän­ gig parallel diagnostiziert werden können. Dabei können die Gitter gleiche oder verschiedene Eigenschaften haben (Gitter­ konstante, Ordnung, Spektralbereich, spektrale Auflösung, Blaze­ wellenlänge). Fig. 2 zeigt Anwendungsbeispiel schematisch die Schmierbilder, wie man sie mit einer sogenannten Spektro- Streak-Anordnung erhalten kann, wobei hier in ein 3-kanaliges GNS mit versetzt geschichteten Spektrometersystemen verwendet wird.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines mehrkanaligen GMS am Beispiel eines 2 kanaligen GNS. Dabei wechseln sich auf einem gemeinsa­ men Substrat Schichten mit niedrigem Brechungsindex mit licht­ leitenden Kernschichten mit höherem Brechungsindex, welche das LIGA-Gitter enthalten, ab. Somit sind die das Licht führende und in seinen spektralen Anteilen abstrahlende Schichten, mit einer Stärke von etwa 10 µm bis einige 100 µm durch "dunkle" Schichten mit einer Stärke von einigen Mikrometer bis einige 100 µm getrennt. Zur Detektion des Lichtes in den einzelnen Ebenen werden Detektorarrays (z. B. CCD) verwendet.

Die Abb. 4 bis 7 zeigen weitere mögliche Aufbauten für mehrkanalige GMS.

Eine 2-kanalige Anordnung mit lateral und vertikal versetzten Fokuslinien (bzw. Austrittsfenstern) kann nach Fig. 4 dadurch realisiert werden, daß zwei um 180° gegeneinander verdrehte einkanalige GMS gestapelt und gebondet werden. Daraus resul­ tieren dann allerdings gegenläufige Spektralbereiche, die je­ doch mit Hilfe der Systemsoftware miteinander korreliert wer­ den können.

Fig. 5 zeigt ein 2-kanaliges GMS auf gemeinsamen Substrat wo­ bei die Fokuslinien vertikal gegeneinander verschoben sind. Dieses System ist besonders geeignet für die Verwendung einer linearen Detektorzeile. Es erlaubt z. B. bei Aufteilung in Meß- und Referenzkanal die empfindliche stationäre oder zeit­ aufgelöste Messung von Differenzspektren.

In den Aufbauten in Fig. 6 und 7 werden einkanalige Systeme zu 2-kanaligen Systemen kombiniert, so daß sich in der LIGA-Ebene hintereinander bzw. nebeneinander liegende Fokuszeilen erge­ ben, und somit eine problemlose ebene Ankopplung von Photode­ tektoren möglich ist.

Spektren mehrkanaliger LIGA-Mikrospektrometer nach Fig. 3-7 in Verbindung mit einem entsprechenden Detektor lassen sich mit Hilfe der Systemsoftware auch zu einem zusammenhängenden Spektrum kombinieren. Damit kann der zu messende Spektralbe­ reich vergrößert werden oder - falls die optische Auflösung nicht schon vom Querschnitt der zuleitenden Signalfaser be­ stimmt wird - bei gegebenem meßbarem Gesamtspektralbereich, Gitter mit höherer Auflösung gewählt werden.

Die aufgezeigten mehrkanaligen GNSs sind wegen des zugrunde­ liegenden planaren Wellenleiterprinzips völlig frei von opti­ schem Übersprechen der Kanäle.

Selbstverständlich kann die Einkopplung des Lichtes zur Erhö­ hung des Signal-Rausch-Abstandes unter Anwendung von Lock-In- Verfahren erfolgen. So erhält man ausgehend von der Anordnung nach Fig. 3-7 ein Double-Beam Spektrometer (Differenzspek­ trometer), wie in Fig. 8 schematisch gezeigt. Die Abschattung der Eingangsfasern (2F) durch Chopper C erfolgt wechselseitig mit einer Frequenz des Choppers im Bereich von 10 Hz. Die Aus­ koppelfasern führen zum gemeinsamen Detektor mit phasen­ empfindlicher Messung des Differenzsignales als Funktion von (λ_var-λ_Ref).

Ein Doppelmonochromator zur Reduzierung des Streulichtanteils, d. h. zur Erhöhung der spektralen Reinheit, zeigt Fig. 9. Hierfür eignen sich die 2-kanaligen Anordnungen nach Fig. 4 bis 7 oder zwei einkanalige GMS in Tandemanordnung.

[1] E.W. Becker et al. icroelectr. Eng. 4 (1986) 35-56 LIGA = Lithographie, Galvanoformung und Abformung
[2] J. Mohr, B. Anderer and W. Ehrfeld Sensors and Actuators (Elsevier, Nem York, 1991), Vol. 27, S. 571-575
[3] C. Müller, H. Hein, J. Mohr KfK-Bericht 5238 (1993), S. 103-108
[4] C. Müller and J. Mohr Interdisciplinary Sc. Rev. 18, 273 (1993)
[5] DE Patent 37 71 553
[6] A. Wiessner and H. Staerk Rev. Sci. Instrum. 64 (1993) 3430

Claims (9)

1. Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelö­ sten, Spektralanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtführender Raum in mehrere Teilbereiche aufgeteilt ist, die an einem ihrer Enden eine Gitterstruktur, an der das Licht gebeugt und reflektiert und somit in seine spektralen Anteile aufgeteilt wird, sowie am anderen Ende eine Vor­ richtung zur Lichteinkopplung- und Auskopplung enthalten.

2. Spektrometersystem zur räumlich und zeitlich aufgelösten Spektralanalyse, dadurch gekennzeichnet, daß das aus den lichtführenden Räumen ausgekoppelte und in seine spektralen Anteile aufgeteilte Licht unterschiedlichen Bereichen einer Detektoreinheit zugeordnet wird.

3. Spektrometersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß der lichtführende Raum des Spektrometers in übereinandergeschichtete, durch Grenzschichten voneinander getrennte lichtführende Räume aufgeteilt wird, die getrennt auslesbaren Zeilen eines Detektorarrays zugeordnet sind.

4. Spektrometersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Lichtführung in den getrennten Räumen durch Reflektion an metallischen Schichten erfolgt und die metallischen Schichten auf eine, die Räume trennende Platte aufgesputtert oder aufgedampft sind.

5. Spektrometersystem nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, daß die lichtführenden Räume als planare Wellenleiter aus­ gelegt sind und es sich bei den Trennschichten um Schichten handelt, deren Brechungsindex kleiner ist, als der Bre­ chungsindex des planaren Wellenleiters.

6. Spektrometersystem nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekenn­ zeichnet, daß die lichtführenden Räume in einer Ebene ange­ ordnet sind und das aus den lichtführenden Räumen ausgekop­ pelte und in seine spektralen Anteile aufgeteilte Licht un­ terschiedlichen Bereichen einer linearen Detektorzeile zu­ geordnet wird.

7. Spektrometersystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die lichtführenden Räume gegenüberliegend angeordnet sind.

8. Spektrometersystem nach Anspruch 6 dadurch gekennzeichnet, daß die lichtführenden Räume nebeneinander angeordnet sind.

9. Spektrometersystem nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die lichtführenden Räume seriell gekop­ pelt werden, wobei der Ausgang des vorhergehenden Spektro­ meters über einen Lichtwellenleiter mit dem Eingang des nächsten Spektrometers verbunden ist.