DE2437253A1

DE2437253A1 - GRID MONOCHROMATOR

Info

Publication number: DE2437253A1
Application number: DE19742437253
Authority: DE
Inventors: Manfred Dipl Phys Krauss; Ernst Dipl Phys Winter
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1973-11-07
Filing date: 1974-08-02
Publication date: 1975-05-15
Also published as: DD108593A1; JPS50155244A

Description

Gittermonochromator Die Erfindung betrifft einen GittermonocHromator mit einem Lichteintrittsspalt und einem Lichtaustrittsspalt, einem zwischen diesen im optischen Strahlengang angeordneten optischen System zur Abbildung des Lichteintrittsspaltes in die ebene des Lichtaustrittsspaltes und einem als Dispersionsmittel dienenden Beugungsgitter. Durch die Wirkung des Dispersionsmittels entstehen bei der Abbildung des Eintrittsspaltes in der Austrittsspaltebene eine Vielzahl von Bildern durch Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen, die zueinander in Richtung senkrecht zur Spaltrichtung verschoben sind. Am Ausgangespalt tritt infolge der endlichen Breite der Spalte ein Wellenlängenintervall mit einer charakteristischen Energieverteilung (Apparatefunktion) auf. Für den Fall, daß Ein- und Austrittsspalt die gleiche Breite aufweisen, hat die Apparatefunktion die Form eines Dreiecks. Grating monochromator The invention relates to a grating monochromator with a light entrance slit and a light exit slit, one between them Optical system arranged in the optical beam path for imaging the light entrance slit in the plane of the light exit slit and one serving as a dispersion medium Diffraction grating. Due to the action of the dispersant arise in the image of the entrance slit in the exit slit plane through a large number of images Radiation of different wavelengths that are perpendicular to each other in the direction Split direction are shifted. At the exit gap occurs due to the finite width of the column a wavelength interval with a characteristic energy distribution (Device function). In the event that the entry and exit slit have the same width have, the device function has the shape of a triangle.

Stimmt dagegen die Austrittsspaltbreite nicht mit der Breite des Eintrittsspaltes überein, so entsteht eine trapezfcrmige Apparatefunktion. Die Halbwertsbreite j C der Apparatefunktion bezeichnet man als spektrale Bandbreite, deren kleinster erreichbarer Wert die maximale Auflösung des Monochromators angibt. dieser Wert wird durch die Güte der Übereinstimmung des Eint;rittsspaltbildes mit dem Austrittsspalt bezüglich deren Größe, Gestalt, Lauge und Bildschärfe gegeben. Infolgedessen ist das Auflösungsvermögen in bedeutendem Maße auch von den Bildfehlern des Abbildungssystems abhängig.If, on the other hand, the width of the exit gap does not match the width of the entry gap a trapezoidal device function arises. The half width j C of the apparatus function is called the spectral bandwidth, its smallest achievable value indicates the maximum resolution of the monochromator. this value is determined by the quality of the correspondence between the entrance gap and the exit gap with regard to their size, shape, lye and image sharpness. As a result is the resolving power also depends to a significant extent on the image defects of the imaging system addicted.

Zur Kompensazion der Komafehler bei der Abbildung mit optischen Spiegeln ist das Verfahren nach Czerny un Turner bekannt, bei dem die Koma infolge der asymmetrie des Strahlenganges und der zueinander entgegengesetzt geneigten sphärischen Spiegel verschwindet. Die Symmetriebedingung wird jedoch nur eingehalten, solange es bei der spektralen Zerlegung des Lichtes zu keiner Quersclmittsänderung des Lichtbündels kommt. Diese Forderung ist nur dann erfüllt, wenn das Reflexionsgitter in Autokollimation verwendet wird. In allen anderen fällen hat man es be nach Wellenlänge und .Stellung des Gitters mit mehr oder weniger starter Querschnittsveränderung des Parallellichtbündels vor und nach der Spektralzerlegung zu tun. To compensate for coma errors when imaging with optical mirrors the procedure after Czerny un Turner is known, in which the coma as a result of the asymmetry of the beam path and the oppositely inclined spherical mirrors disappears. However, the symmetry condition is only met as long as there is the spectral decomposition of the light does not result in any transverse change in the light beam comes. This requirement is only met when the reflection grating is in autocollimation is used. In all other cases it is up to the wavelength and position of the grating with a more or less starter cross-sectional change of the parallel light beam to do before and after the spectral decomposition.

Zur Beseitigung des Komafehlers bei Monochromatoren ist weiterhin bekannt, eine Anordnung nach dem Prinzip von Czernyturner zu verwenden, bei der die von einem beliebigen Sispersionssystem erzeugte Vergrößerung oder Verkleinerung durch ein geeignetes Brennveitenverkältnis gerade wieder aufgehoben wird. To eliminate the coma error in monochromators is still known to use an arrangement based on the principle of Czernyturner in which the enlargement or reduction produced by any dispersion system is just canceled by a suitable Brennveitenverältnis.

Auf Astigmatismus ist der Monochromator nach Ebert und paste korrigiert, der eine von der Wellenlänge unabhängige Krümnung des Ein- und Austrittsspaltes aufweist und bei dem die astigmatische Bildlinie die Kontur des Austrittsspaltes tangiert. Nach Fastie ergibt sich die Wellenlängenunabhängigkeit, wenn die Haupt strahlen von allen Spaltpunkten am Dispersionsgitter einen Kegel bilden. Sind das Abbildungssystem und die Spaltkonturen zu dieser Kegelachse rotationssymmetrisch, so tangiert trivialerweise die astigmatische Bildlinie die Kontur des Austrittsspaltes. Die Koma ist Jedoch beim Ebert-Pastie- Monochromator nur für die Stellung des Gitters in 0. Ordnung streng korrigiert. Außerdem ist der Abbildungsmaßstab V für den Eintrittsspalt von der Stellung des Gitters, d. h. von der eingestellten Wellenlänge, entsprechend der Beziehung cos # V = cos #' abhängig, wobei f der Einfallswinkel für die auf das Beugungsgitter einfallende Strahlung und ç ' der Winkel ist, den die abgebeugte Strahlung mit der Normalen der Beugungsgitterebene einschließt. Diese Wellenlängenabhängigkeit des Abbildungsmaßstabes ist von beträchtlichem Nachteil, weil die aus Gründen der einfachen Konstruktion und Handhabung des Monochromators erwünschte Kopplung des Ein- und Austrittsspaltes eine Konstanz des Abbildung maßstabes erforderlich macht. Konstruktiv besonders einfache lösungen ergeben sich, wenn der Abbildungsmaßstab gleich 1 ist. The monochromator according to Ebert and Paste is corrected for astigmatism, the one of the wavelength independent curvature of the entry and exit slit and in which the astigmatic image line is the contour of the exit slit affects. According to Fastie, the wavelength independence results when the main Rays from all cleavage points on the dispersion grating form a cone. Are these The imaging system and the gap contours are rotationally symmetrical to this cone axis, so trivially the astigmatic image line touches the contour of the exit slit. The coma is, however, in Ebert-Pastie- Monochromator only for that Position of the grid in the 0th order strictly corrected. In addition, the image scale is V for the entrance slit from the position of the grille, d. H. from the set Wavelength, depending on the relationship cos # V = cos # ', where f is the angle of incidence for the radiation incident on the diffraction grating and ç 'is the angle that includes the diffracted radiation with the normal of the diffraction grating plane. These The wavelength dependence of the image scale is a considerable disadvantage, because for reasons of simple construction and handling of the monochromator Desired coupling of the entry and exit slit a constancy of the image scale makes necessary. Solutions that are particularly simple in design arise when the Magnification is equal to 1.

Tm Monochromator nach Ebert-Fastie wird der Abbildungsmaßstab t jedoch nur für die Stellung des Gitters in 0. Ordnung erreicht.However, the image scale t becomes Tm monochromator according to Ebert-Fastie only achieved for the position of the grid in the 0th order.

Es wurde auch bereits ein Monochromator vorgeschlagen, bei dem eine Komakorrektur dadurch erreicht wird, daß die Ablenkwinkel an den Hohlspiegeln entsprechend gestaffelt werden. Man verstößt damit jedoch gegen die schon genannten Bedingungen für die Wellenzahlunabangigkeit der Spaltkrümmung und das Tangieren der astigmatischen Bildlinien. A monochromator has also been proposed in which one Coma correction is achieved in that the deflection angle on the concave mirrors accordingly be staggered. However, this violates the conditions already mentioned for the wavenumber independence of the slit curvature and the tangency of the astigmatic Image lines.

Die Erfindung hat sich deshalb die Aufgabe gestellt, einen Monochromator zu schaffen, der auf Abbildungsfehler, insbesondere auf Koma und Astigmatismus im Bereich der Arbeitswellenlänge korrigiert und dessen Abbildungsmaßstab dabei konstant ist. The invention has therefore set itself the task of a monochromator to create the focus on aberrations, especially coma and astigmatism in the Corrected the range of the working wavelength and its image scale constant is.

Der Lösung der Aufgabe wird ein Gittermonochromator nach Ebert und Sastie, bestehend aus einem Beugungsgitter, einem Kollimatoo und einem Fernrohrspiegel, die als sphärische Hohlspiegel ausgebildet sind, sowie zwei kreisbogenförmigi gekrümmten Spalten, wobei der Mittelpunkt des Gitters, die Krümmungsmittelpunkte der Spalte und die Kugelmittelpunkte der sphärischen Hohlspiegel auf einer Geraden liegen, die gleichzeitig die Achse des durch die Haupt strahlen am Beugungsgitter gebildeten Kegels ist, zugrunde gelegt. The solution to the problem is a grating monochromator according to Ebert and Sastie, consisting of a diffraction grating, a collimatoo and a telescope mirror, which are designed as spherical concave mirrors, as well as two curved circular arcs Columns, where the center of the grid, the centers of curvature of the column and the centers of the spheres of the spherical concave mirrors lie on a straight line, which at the same time the axis of the rays formed by the main on the diffraction grating Kegels is based.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Verhältnis der Brennweiten von Kollimatorspiegel und Fernrohrspiegel für eine innerhalb des Einstellbereiches des Beugungsgitters befindliche Stellung gleich dem Verhältnis des Kosinus des Winkels, den die auf das Gitter einfallende Strahlung mit der Normalen der Beugungsgitterebene bildet, zum Kosinus des Winkels, den die vom Gitter abgebeugte Strahlung mit der Gitternormalen bildet, ist. According to the invention the object is achieved in that the ratio the focal lengths of the collimator mirror and telescope mirror for one within the Adjustment range of the diffraction grating is equal to the ratio the cosine of the angle between the radiation incident on the grating and the normal the diffraction grating plane forms, to the cosine of the angle that the diffracted by the grating Radiation forms with the lattice normal is.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert werden. Die zugehörige zeichnung zeigt: ein Schema des erDinSur.gsgemäßen Gittermonochromators mit seinen geometrischen Bestimmungsstücken. The invention is to be explained in more detail using an exemplary embodiment will. The accompanying drawing shows: a diagram of the grating monochromator according to the erDinSur.gs with its geometrical determinants.

Der Gittermonochromator besteht aus einem Eintrittsspalt und einem Austrittsspalt 2, die beide eine kreisfUrmige Krümmung mit den Krummungsradien r1 = 81,588 mm und r2 = 108,823 mm aufweisen, zwei sphärischen Hohlspiegeln, von denen ein Kollimatorspiegel 3 einen Krümmungsradius r3 = 750 mm und ein Fernrohrspiegel 4 einen Krümmungsradius r4 - 1000 mm besitzen. The grating monochromator consists of an entrance slit and a Exit gap 2, both of which have a circular curvature with the radii of curvature r1 = 81.588 mm and r2 = 108.823 mm, two spherical concave mirrors, of which a collimator mirror 3 has a radius of curvature r3 = 750 mm and a telescope mirror 4 have a radius of curvature r4 - 1000 mm.

Ein Beugungsgitter 5 besitzt 26,3 Linien/mm. Der Mittelpunkt des Beugungsgitters, die Krümmungsmittelpunkte der beiden Spalte 1 und 2 sowie die Kugelmittelpunkte der sphärischen Spiegel 3 und 4 liegen auf einer Geraden G, die gleichzeitig auch die Achse des durch die Hauptstrahlen A und A' am Beugungsgitter gebildeten Kegels ist. Die Hauptstrahlen A und A' schließen mit der Geraden G jeweils einen Winkel ot = 12,50 ein und die Normale N der Beugungsgitterebene mit der Geraden G einen Winkel lb = 32,590. Die Entfernung vom Gittermittelpunkt M zum Scheitelpunkt C des Kollimatorspiegels 3 beträgt 303,674 mm, zum Scheitelpunkt C' des Fernrohrspiegels 4 431,089 mm. Der Abstand B zwischen Gittermittelpunkt M und der Verbindungslinie D zwischen den Spaltmittelpunkten Ml, M2 des Ein- und Austrittsspaltes 1 und 2 beläuft sich auf 75 mm, zwischen beiden Spaltmittelpunkten auf 190,411 mm, die Entfernung vom Spaitmittelpunkt Ml zum Scheitelpunkt C des Hohlspiegels 3, 371,811 mm und vom Spaltmittelpunkt M2 zum Scheitelpunkt C' des Hohlspiegels 4 496,116 mm. Der auf den Spiegel 1 einfallende Hauptstrahl E schließt mit dem Hauptstrahl A einen Winkel ç = 14,9450 und der Hauptstrahl A' mit dem am Spiegel 2 reflektierten Hauptstrahl E' einen Winkel # = 14,2930 ein. Der Winkel & , den der Hauptstrahl E und die Normale auf die Spalt ebene des Eintrittsspaltes 1 miteinander bilden, beträgt 2,4450 und der Winkel t ' zwischen dem Hauptstrahl E' und der Normalen auf die Spaltebene des Austrittsspaltes 2 1,7930.A diffraction grating 5 has 26.3 lines / mm. The center of the diffraction grating, the centers of curvature of the two columns 1 and 2 as well as the centers of the spheres the spherical mirrors 3 and 4 lie on a straight line G, which is also at the same time the axis of the cone formed by the principal rays A and A 'on the diffraction grating is. The main rays A and A 'each form an angle with the straight line G. ot = 12.50 and the normal N of the diffraction grating plane with the straight line G one Angle lb = 32,590. The distance from the center of the grid M to the vertex C of the Collimator mirror 3 is 303.674 mm, to the vertex C 'of the telescope mirror 4,431,089 mm. The distance B between the center of the grid M and the connecting line D between the gap centers Ml, M2 of the inlet and outlet gap 1 and 2 amounts to 75 mm, between the two gap centers to 190.411 mm, the distance from the Spitmittelpunkt Ml to the vertex C of the concave mirror 3, 371.811 mm and from Gap center M2 to vertex C 'of concave mirror 4,496.116 mm. The on The main ray E incident on the mirror 1 forms an angle with the main ray A. ç = 14.9450 and the main ray A 'with the main ray reflected at the mirror 2 E 'an angle # = 14.2930. The angle & which the principal ray E and the Form normal to the gap plane of the entrance gap 1 with each other is 2.4450 and the angle t 'between the principal ray E' and the normal to the cleavage plane of the exit gap 2 1.7930.

Der nach den obengenannten Zahlenwerten gebaute Gittermonochromator weist eine von der Wellenlänge unabhängige Krümmung des Spaltbildes auf. Seine astigmatische Bildiinie tangiert die Austrittsspaltkontur und die oma ist für eine Arbeitswellenlänge A = 40 mm kompensiert. Ebenso ist der Abbildungsmaßstab für den Bereich der Arbeitswellenlänge gleich 1. The grating monochromator built according to the above numerical values shows a curvature of the slit image independent of the wavelength. Its astigmatic The image line is tangent to the exit slit contour and the oma is for a working wavelength A = 40 mm compensated. The same applies to the imaging scale for the range of the working wavelength equal to 1.

Bei anderen Arbeitswellenlängen nehmen die geometrischen Bestimmungsstücke des Monochromators selbstverständlich andere Zahlenwerte an.For other working wavelengths, the geometrical determinants take place of the monochromator will of course show other numerical values.

Claims

Grating monochromator according to Ebert and Fastie, consisting of a diffraction grating, a collimator and a telescope mirror in the form of spherical concave mirrors, as well as two circular arc-shaped curved columns, whereby the center of the diffraction grating, the centers of curvature of the column and the centers of the spheres of the spherical concave mirrors lie on a straight line, which is at the same time the axis of the through the chief rays is formed on the diffraction grating cone, characterized in that the ratio the focal lengths of the collimator and telescope mirrors for one within the adjustment range the position of the diffraction grating is equal to the ratio of the cosine of the angle, the radiation incident on the grating with the normal of the diffraction grating plane includes, to the cosine of the angle that the radiation diffracted by the diffraction grating with the normal of the diffraction grating plane is.

2, grating monochromator according to claim 1, characterized in that its working wavelength with the wavelength for the blazed position of the diffraction grating matches.

3. Grating monochromator according to Anepruch 1, characterized in that whose working wavelength corresponds to that of the minimum gap setting Wavelength coincides with 0 L e r s e i t e