DE2247669A1

DE2247669A1 - Vor-monochromator

Info

Publication number: DE2247669A1
Application number: DE19722247669
Authority: DE
Inventors: Koji Masutani; Tsutomu Yamamoto
Original assignee: Jeol Ltd
Current assignee: Jeol Ltd
Priority date: 1971-09-28
Filing date: 1972-09-28
Publication date: 1973-04-12
Also published as: JPS4842749A; FR2154641A1

Description

Patentanwalt Dipl.-Phys. Gerhard Liedt 8 München 22 Steinsdorfstr. 21-22 Tel. 29 84

B 5755 K

NIHOK DENSHI KABUSHIKI KAISHA 1418 Nakagami-cho, Akishima-Shi, Tokyo/Japan

Yor-Monochromator

Die Erfindung betrifft einen Vor-Monochromator und insbesondere einen Vor-Monochromator für ein Raman-Spektrometer. .

In einem Raman-Spektrometer beleuchtet ein durch einen Laser-Oszillator erzeugtes Laser-Licht eine Probe, wobei

~ 2 —

3Ü9815/Q793

das von der Probe gestreute resultierende Raman-Idcht entsprechend seinen Wellenlängen angezeigt wird. Das Laser-Licht» das die Probe beleuchtet muß ein monochromatisches Licht sein. Wenn kein Laser-Licht sondern ein anderes Licht die Probe beleuchtet, bildet dieses die Schein-Raman-Spektren. Sa das Ausgangslicht des Laser-Oszillators, das durch die erzwungene Emission erzeugte Laser-Licht und das durch spontane Emission erzeugte Licht enthält, bedeutet dies, daß das durch Emission spontane erzeugte Licht die Schein-Raman-Spektren bildet.

Um zu vermeiden, daß das durch spontane Emission erzeugte Licht die Probe beleuchtet, ist in den bekannten Raman-Spektrometern ein Interferenzfilter, welches das Licht entsprechend den Wellenlängen auswählt, in den optischen Weg zwischen dem Laser-Oszillator und der Probe geschaltet· Als nachteilig erweist sich bei diesem Spektrometer, daß die Intensität des Laserlichtes abnimmt, da die Durchlässigkeit des Filters gering ist. Als Lichtquelle des Raman-Spektrometers ist daher ein Laser-Oszillator erwünscht, der ein Laserlicht hoher Energie erzeugt. Falls bei diesen bekannten Raman-Spektrometern zur Bestrahlung der Probe ein Laserlicht anderer Frequenz bzw. Wellenlänge verwendet wird, muß darüber hinaus ein diesem Licht angepaßtes Interferenzfilter benutzt werden, um das durch spontane Emission erzeugte Licht zu eliminieren. Der Austausch und die Einstellung des Interferenz-Filters

— "K —

309815/0793

erweist sich hierbei als äußerst schwierig. Zusätzlich schwanken die Filter-Charakteristiken, da dieses durch das Laserlicht erhitzt wird.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Vor-Monochromator zu schaffen j dem die vorerwähnten Kachteile nicht anhaften. Dieser Monochromator soll einen einfachen Aufbau besitzen. Die optische Achse des in den Vor-Konochromator einfallenden lichtes soll mit der optischen Achse des aus dem Vor-Monochromator austretenden lichtes übereinstimmen. Die Wellenlänge des durch den Auslaßschlitz austretenden lichtes soll wahlweise änderbar sein. Zusätzlich soll das durch spontane Emission erzeugte licht aus dem durch den laser-Oszillator erzeugten licht ausscheidbar sein.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Vor-Kohoehromator mit zwei Spiegeln, mindestens zwei Prismen und einen Auslaßschlitz, wobei die Spiegel und Prismen symmetrisch zu einer Achse angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse des in den Vor-Monochromator einfallenden lichtes ist und wobei die Achsen des einfallenden lichtes und des durch den Auslaßschlitz tretenden lichtes zusammenfallen. Das einfallende licht wird durch den ersten Spiegel reflektiert, durch die beiden Prismen entsprechend seinen Wellenlängen gestreut und schließlich durch den zxireiten

309815/0793 "⁴ ~

Spiegel reflektiert. Die Wellenlänge des durch den Auslaßschlitz austretenden Lichtes ist durch den Winkel »wischen den beiden Spiegeln bestimmt. Selbst wenn dieser Vor-Monochromator quer zu einem optischen Weg angeordnet 1st, ist es nicht erforderlich, die anderen optischen Elemente erneut zu justieren, da die optische Achse des austretenden Lichtes, das die gewünschte Wellenlänge besitzt, mit der optischen Achse des einfallenden Lichtes zusammenfällt. Bei einem abgewandelten Ausführungebeispiel des Gegenstandes nach der Erfindung kann die Wellenlänge des durch den Auslaßschlitz tretenden Lichtes durch Änderung des Winkels zwischen den beiden Spiegeln in einfacher Weise geändert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung säher erläutert. Barin zeigt:

Figur 1 ein erstes Aueführungebeispiel eines Vor-Konochromatore nach der Erfindung in schematiecher Barstellung,

figur 2 ein abgewandeltes Ausführungebeispiel des Vor-Monochromators nach figur 1 in schematiecher Barstellung,

figur 3 ein fiaman-Spektrometer mit einem Vor-Monochromator nach der Erfindung,

Figur 4 bis 8 weitere Ausführungsbeispiele eines Vor-

Konochromators nach der Erfindung in schematischer Darstellung. 309815/0793

Me Figur 1 zeigt einen Vor-Monochromator mit Prismen 1,2, Spiegeln 3,4 und einem Auslaßschlitz 5· Die beiden Prismen und Spiegel sind symmetrisch zu einer Achse A angeordnet, die senkrecht zur optischen Achse des einfallenden Lichtes I ist. Das einfallende Licht wird durch den Spiegel 5 reflektiert und durch die Prismen 1 und 2 entsprechend seinen Wellenlängen gebeugt. Das gebeugte Licht gewünschter Wellenlänge wird durch den Spiegel 4 reflektiert und tritt durch den Auslaßschlitz 5· Der Vorteil dieser Anordnung besteht darin, daß die Intensität des Lichtes, das die gewünschte Wellenlänge besitzt, durch den Vor-Monochromator kaum geschwächt wird. Selbst bei Erhitzung der Prismen durch das Laserlicht ändern sich die Charakteristiken der Prismen nicht, weshalb die Wellenlänge des durch den Auslaßschlitz tretenden Lichtes nicht schwankt. Beim Vor-Monochromator nach Figur 2 ist quer zur optischen Achse zwischen dem Spiegel 4 und dem Auslaßschlitz 5 eine Linse 6 angeordnet, um das Auflösungsvermögen des Vor-Monochromator s zu erhöhen.

Die Figur 3 zeigt ein Raman-Spektrometer mit einem Vor-Monochromator 7» der in den optischen Weg zwischen einem Laser-Oszillator 8, z.B. Argon-Laser-Oszillator, und einer Probe 9 geschaltet ist. Das Laserlicht, dessen Wellenlänge 4880 Ä beträgt, und das durch spontane Emission durch den Argon-Gas-Laser erzeugte Licht dringen in den Υφν-Monochromator ein und werden durch die Prismen 1 und 2

- 6 309815/0793

entsprechend ihren Wellenlängen gebeugt. Da der Winkel zwischen den Spiegeln 3 und 4 derart eingestellt ist, daß das gebeugte Licht, dessen V/ellenlänge 4880 I beträgt, durch den Auslaßschlitz 5 tritt, gelangt das Laserlicht durch den Schlitz und wird durch die Linse 8 auf die Probe fokussiert. Das resultierende Raman-Streulidbt wird durch Linsen 10, 11 einem Monochromator 12 mit hohem Auflösungsvermögen, nämlich einem Doppelgitter-Monochromator zugeführt und durch die Beugungselement^ im Monochromator gebeugt. Das gebeugte Licht wird durch einen Foto-Blektronen-Vervielfacher 13 anzeigt. Das angezeigte Signal wird durch einen Verstärker 14- verstärkt und einem Aufzeichnungsgerät 15 zugeführt.

Da das durch spontane Emission durch den Laser-Oszillator erzeugte Licht durch den Vor-Monochroroator 7 ausgeschieden wird, wird beim Raman-Spektrometer der vorgenannten Art die Probe durch das monochromatische Licht, d.h. nur durch das Laser-Licht bestrahlt. Folglich wird nur das Rayleigh-Licht und das Raman-Licht von der Probe gestreut, weshalb die Schein-Raman-Spektren zum überwiegenden Teil eliminiert sind.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 4· tritt das einfallende Licht zunächst in ein Prisma 20 ein, in dem es entsprechend seinen Wellenlängen gebeugt wird. Das gebeugte Licht wird durch Spiegel 22 und 23 reflektiert und durch ein Prisma 21 zusätzlich gebeugt. Das durch das Prisma 21 gebeugte Licht,

309815/0793

das die gewünschte Wellenlänge besitzt, dringt durch einen Auslaßschlitz 25»

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 5 sind fünf Prismen 26, 27, 28, 29 und *>ö symmetrisch zu einer Achse angeordnet $ die senkrecht zur Achse des einfallenden Lichtes ist» Das einfallende Licht wird durch einen Spiegel 31 reflektiert und durch die fünf Prismen entsprechend seinen Wellenlängen gebeugt. Das gebeugte Licht, das die gewünschte Wellenlänge besitzt, wird durch einen Spiegel reflektiert und gelangt anschließend durch einen Auslaßschlitz 33- Das Auflb'sungsvermögen dieses Mönochromators ist tun das 2,5-fache größer als das des Mönochroftätörs nach der Figur 1»

Bei den vorgenannten Ausfutamgsbeispielen ist ein änderbarer Winkel zwischen den beiden Spiegeln er« wünscht» Die Wellenlänge des durch den AüSlaßschiitz tretenden Lichtes wird durch Änderung des Winkels zwischen den beiden Spiegeln geändert» Dies -bedeutet, daß der Vor-Monochromator nach der Erfindung für zahlreiche Zwecke verwendbar ist, und zwar im Unterschied zum Interferenz-Filter, welches nur für Licht bestimmter Wellenlänge durchlässig ist. Bei einem Eaman-Spektrometer mit einem erfindungs* gemäßen Vor-Monochromator wird selbst bei Verwendung eines Laser-Lichtes anderer Frequenz zur Bestrahlung der Probe durch Justierung des Winkels zwischen den beiden Spiegeln

■. - 8 309815/0793

das durch spontane Emission erzeugte Licht eliminiert·

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 6 sind mit Prismen bzw. 38 bestückte Spiegel 35 und 36 auf einer Welle 39 drehbar befestigt und durch eine Feder 40 miteinander gekoppelt. Der Winkel θ zwischen den beiden Spiegeln ist durch Verschiebung eines keilförmigen Elements 41 einstellbar. Wenn das Element 41 durch eine Justierschraube 42 - betrachtet in Zeichnungsebene - nach oben verschoben wird, werden an den Spiegeln 35 und 36 befestigte Elemente 43 bzw. 44 durch das Element 41 nach oben gedrückt und der Winkel θ erweitert· Falls das keilförmige Element 41 durch die Justierschraube 42 und unter der Wirkung von Federn 45 und 46, die zwischen dem Element 41 und einer Wandung 47 des Gehäuses des Vor-Monochromators angeordnet sind, nach unten verschoben wird, werden die Spiegel 35 und 36 unter der Wirkung der Feder 40 zueinander geführt und dadurch der Winkel θ verkleinert. Bei diesem Ausführungsbeispiel kann deshalb die Wellenlänge des Lichtes, das durch den Auslaßschlitz tritt, durch Änderung des Winkels zwischen den Spiegeln und 36 wahlweise Geändert werden.

Der Winkel θ des Lichtes, das die Wellenlänge >» besitzt, und durch den Auslaßschlitz tritt, ist durch folgende Beziehung bestimmt:

COi

ω -

r.in -$-,— '

309815/0793

BAD ORIGINAL

~* 9 — -

wobei η (λ) = Brechungsindex der Prismen 41 und 42 für das licht dessen Wellenlänge λ beträgt. θ β vertikaler Winkel jedes Prismas.

Beim Ausführungsbeispiel nach Figur 7 sind Spiegel 51 und 52 durch Gelenke 53 bzw. 54 mit einem Träger 55 verbunden und durch eine Feder 61 miteinander gekoppelt. Am Träger 55 sind zusätzlich fünf Prismen 56, 57? 58, 59 und 60 befestigt. Der Winkel zwischen den beiden Spiegeln ist durch Verschiebung eines verjüngten Stabes 62 änderbar. Die Wellenlänge des Lichtes, das durch einen Auslaßschlitz 65 tritt, ist durch Änderung des Winkels zwischen den beiden Spiegeln änderbar.

Beim Monochromator nach Figur 8 wird das einfallende Licht durch einen Spiegel 65 reflektiert, durch ein Prisma gebeugt und schließlich einer konkaven Linse 67 zugeführt· Das Licht wird zusätzlich durch ein Prisma 68 gebeugt· Das gebeugte Licht, das die gewünschte Wellenlänge besitzt, wird durch einen Spiegel 69 reflektiert und durch einen Auslaßschlitz 70 geführt* Die konkave Linse 6? ist auf einem Träger 71 befestigt, der durch eine Justierschraube in einer Führung 72 verschiebbar ist· Die Wellenlänge- des Lichtes,"das durch den Auslaßschlitz 70 tritt, ist durch Verschiebung der Stellung der Linse 67 änderbar* Die Wellenlänge «\ des Lichtes, das durch den Auslaßschlitz tritt;, ißt durch den Absband X zwischen den Linsen Mittelpunkt

- id 3D981S/Q793

ORIGINAL INSPECTED

und den Funkt auf der Linsenoberfläche bestimmt» in-den das Licht, dessen WellenlängeΛ beträgt₉ in die Linse

eintritt.

Der Abstand X ist wie folgt bestimmt! ARCsin J sin φ /n_H ² - cos^Ä ^² - coe^ooe

wobei n^ - Brechungsindex des Prismas für das Licht, dessen Wellenlänge λ beträgt;

U₂ » Brechungsindex der Linse für das Lieht, dessen Wellenlänge λ beträgt,

R * Krümmungsradius der konkaven Linse.

Bei diesem Ausführungsbeispiel kann die konkave Linse durch eine konvexe Linse ersetzt werden.

^-Patentansprüche-

3098 15/07U

ORIGINAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche

©Vor-Monochromator, dadurch gekennzeichnet, daß gwei Spiegel (3,4), mindestens zwei Prismen (1,2) und ein Auslaßschlitz (5) vorgesehen sind, daß die Spiegel und'Prismen symmetrisch zu einer Achse (A) angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse des in den Vor-Monochromator einfallenden Lichtes (I) ist und daß die Achsen des einfallenden Lichtes und des durch den Auslaßschlitz tretenden Lichtes zusammenfallen.
2. Vor-Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen den. beiden" Spiegeln (3,4) änderbar ist.
3. Vor-Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß quer zur optischen Achse vor dem Auslaßschlitz (5) eine Linse (6) angeordnet ist.
4. Vor-Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Spiegel (3>4), zwei Prismen (1,2), ein Auslaßschlitz (5) und eine Linse (6) vorgesehen sind, daß die Spiegel und Prismen symmetrisch zu einer Achse angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse des einfallenden Lichten ist, daß die Achsen des-einfallenden Lichtes und des durch den Auslaßschlitz tretenden Lichtes zusammenfallen, und daß die Linse längs der Achse ver-

. schiebbar ißt, die senkrecht zur optischen Achse den einfallenden Lichtes ist.

309816/0793

BAD ORIGINAL
5. Vor-Monochromator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine konkave Linse ist.
6. Vor-Monochromator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse eine konvexe Linse ist.
7. Vor-Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Spiegel (31 bzw. 51) und fünf Brismen (26, 27, 28, 29, 30 bzw. 56, 57, 58, 59, 60) vorgesehen sind, um das durch den ersten Spiegel reflektierte Licht entsprechend seinen Wellenlängen zu beugen, daß ein zweiter Spiegel (J2 bzw. 52) zum Reflektieren des gebeugten Lichtes und ein Auslaßschlitz (33 bzw. 63) vorgesehen ist, durch den das Licht gewünschter Wellenlänge tritt, daß der erste und zweite Spiegel und die fünf Prismen symmetrisch zu der Achse angeordnet sind, die senkrecht zur optischen Achse des auf den ersten Spiegel fallenden Lichtes ist, und daß die optischen Achsen des auf den ersten Spiegel fallenden Lichtes und des durch den Auslaßschlitz tretenden Lichtes zusammenfallen.
8. Vor-Monochromator nach Anspruch 7» dadurch gekennzeichnet, daß quer zur optischen Achse zwischen dem zweiten Spiegel und dem Auslaßschlitz eine Linse angeordnet ist.
9. Vor-Monochromator nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen dem ersten und

zweiten Spiegel änderbar ist.

309815/0793

BAD ORIGINAL