DE2522942A1

DE2522942A1 - Spektralgeraet

Info

Publication number: DE2522942A1
Application number: DE19752522942
Authority: DE
Inventors: Ross A Mcfarlane; George J Wolga
Original assignee: LANSING RESEARCH CORP
Current assignee: LANSING RESEARCH CORP
Priority date: 1974-05-23
Filing date: 1975-05-23
Publication date: 1975-12-11
Also published as: AU8127075A; GB1513552A; IT1035809B; IN145133B; SE7704531L; ZA752993B; SU571204A3; SE403832B; US3914055A; FR2272379A1; CA1031596A; JPS5127383A; CH596544A5; NL7506126A; FR2272379B1

Description

DIPL -PHYS. F. ENDLICH _D-eo34 unterpfaffenhofen 20.5-1975

*** * POSTFACH λ / -ι

PATENTANWALT D/Zb

TELEFON (MÜNCHEN) 84 36 PHONE

TELEGRAMMADRESSE: _pATENDLICH MÜNCHEN CABLE ADDRESS:

DIPL.-PHYS. F. ENDLICH, D-8O34 UNTERPFAFFENHOFEN, POSTFACH

TELEX: 52 173Ο

L-3729

Lansing Research Corporation, City of Ithaca,

N. Y., USA

Spektralgerät

Die Erfindung betrifft ein Spektralgerät, d. h. eine Vorrichtung zur Durchführung einer Spektralanalyse gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruchs sowie ein Verfahren zum Betrieb dieses Spektralgeräts.

Die Erfindung befaßt sich mit einem spektroskopischen Gerät zur Messung der spektralen Charakteristiken von schwachen Liehtsignalen mit einer hohen Auflösung.

Beim Nachweis bzw. der Untersuchung von Licht benötigt man vielfach Einrichtungen, um dieses Licht in seine Spektralanteile, d. h. die unterschiedlichen Frequenzen entsprechenden Anteile zu zerlegen, so daß auf diese Weise eine selektive Bestimmung des Spektrums möglich wird. Die Spektralzerlegung wird tradi-

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tionsgemäß durch Verwendung von Prismen oder Beugungsgittern durchgeführt, welche mit engen Spalten und einem Spiegelsystem zusammenwirken, wenn das Frequenzspektrum des zu untersuchenden Lichtes breit ist. Diese Kombination der soeben beschriebenen Elemente wird mit der Bezeichnung "Monochromator", "Spektrometer" oder "Spektrograph" bezeichnet, wobei vor diese Bezeichnung der Geräte die Bezeichnung "Prismen" oder "Gitter" gesetzt wird, um anzuzeigen, um welche Art von Geräten es sich handelt. Diese Geräte werden vielfach auch in Reihe miteinander gekoppelt, um hierdurch das Kontrastniveau zwischen dem erwünschten Signal und dem Hintergrundsignal zu erhöhen, weichletzteres auf die Ungenauigkeiten in den optischen Elementen der Geräte zurückzuführen ist. Wenn die Geräte derart zusammengeschaltet sind, bezeichnet man sie im allgemeinen als Zweifach- oder Dreifachmonochromatoren usw. Die zusammengeschalteten Zweifach- oder Dreifachmonochromatoren bilden beispielsweise das Standarduntersuchungsinstrument für die Aufzeichnung der schwachen Spektren der Raman-Streuung in Flüssigkeiten, Gasen und Festkörpern. Charakteristisch für diese Geräte sind ihr relativ kleiner Lichtdurchsatz bzw.·? ihre kleine Lichtstärke, ihre große Ausdehnung, ein großer Zeitaufwand für ihre Abstimmung sowie der tote Gang in denr internen Getriebe bzw.

Übersetzungssystemen, was zu Schwierigkeiten bei der Wiedereinstellung einer speziellen Wellenlänge führt und · das Fehlen einer einfachen Einrichtung für eine digitale Steuerung des Geräts sowie für eine digitale Gewinnung der Information über die Wellenlänge aus dem aufgezeichneten Spektren.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Spektralgerät zu schaffen, dem diese Nachteile nicht mehr anhaften, das sich insbesondere für eine Bestimmung schwacher Signale eignet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des Hauptanspruchs gelöst.

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Mit den erfindungsgemäßen Geräten läßt sich eine Spektralanalyse mit hohem Auflösungsvermögen und einem erheblichen 'Lichtdurchsatz durchführen. Pur viele Anwendungsbereiche, die beispielsweise die Bestimmung von Streulicht liegen das Auflösungsvermögen und der Lichtdurchsatz bzw. die Lichtstärke erheblich über den vergleichbaren Leistungsdaten von herkömmlichen Geräten. Die Bezeichnung "Spektralanalyse" ist hierbei in der Bedeutung zu verstehen, daß ein Teil des von einer Lichtquelle ausgesandten Gesamtspektrums ausgewählt und der Rest dieses Spektrums ausgeschieden wird, daß die Lage des ausgeschiedenen Bereichs im Spektrum feststellbar ist und daß der ausgewählte Bereich entweder nachgewiesen bzw. ermittelt oder zu einem anderen Gerät weitergeleitet wird. Das beschriebene Gerät kann somit als optisches Filter oder als optischer Spektralanalysator verwendet werden mit Anwendungsmöglichkeiten für die Messung von AbsorptionsyEmissions- und Streulichtspektren.

Die Lichtmenge, die durch ein optisches Gerät übertragen werden kann, ist dem Produkt aus der Eintrittspupillenfläche bzw. der Apertüröffnung und dem Raumwinkel bsi allen Punkten in der Aperturöffnung proportional. Dieses ,,Produkt wird im deutschen Sprachgebrauch als "geometrischer Fluß", Jm englischen Sprachgebrauch als "ETENDUE" bezeichnet, wobei hierfür folgende Formel gilt:

= A JfI (Fläche χ Steradiant),

wobei A die Aperturöffnung.des Gerätes und SL der Raumwinkel bei allen Punkten ist.

Die erfindungsgemäßen Geräte erzielen ihre erhebliche Leistungssteigerung gegenüber Zweifach- oder Dreifachmonochromatoren aufgrund der bei ihnen möglichen Werte für den geometrischen Fluß, die erheblich größer sind als diejenigen, wie man sie bei

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Geräten vergleichbarer Spektralauflösung erhält.

Bei den erfindungsgemäßen Geräten wird eine Kombination aus einem abstimmbaren bzw. variablen akusto-optischen Filter das im folgenden als TOP (tunable optical filter) abgekürzt werden soll - und einem oder mehreren Fabry-Perot-Etalons, d. h. Fabry-Perot-Interferometern oder sog. Fabry-Perot^fsehen Doppelplatten - im folgenden als Etalon abgekürzt - verwendet, sowie eine Einrichtung zum Abtasten und Synchronisieren des kombinierten Frequenzbereichs bzw. der kombinierten Filterkurve deser in Reihe angeordneten Elemente. Sowohl das TOF als auch das Etalon haben einen großen geometrischen Fluß. Das Etalon kann gleichzeitig mit einem großen Auflösungsvermögen und einem großen geometrischen Fluß betrieben werden. Bei einer Kombination dieser Elemente in Reihe liefern das TOF und das Etalon ein hohes Auflösungsvermögen mit einem großen Lichtdurchsatz.

Eine Notwendigkeit für die Synchronisierung des TOF und des Etalons entsteht aus folgenden Überlegungen:

Das TOF hat eine einzige Bandpaßdurchlaßcharakteristik, die elektronisch über eine große Bandbreite (ungefähr 3OOO 2) abgestimmt bzw. variiert werden kann. Das Etalon hat eine periodische Vielfachbandpaßcharakteristik, deren Periode als "freier Spektralbereich" bezeichnet wird - im folgenden als FSR (free spectral range) abgekürzt. Der Durchlaßbereich des TOF ist breiter als die einzelnen Durchlaßbereiche des Etalons, wobei das Etalon so konstruiert bzw. abgestimmt werden kann, daß der Abstand zwischen seinen Punkten maximaler Durchlässigkeit, d. h. den Peaks in der Durchlässigkeit, größer ist als die Breite des Durchlaßbereichs des TOF. Wenn daher der Durchlaßbereich des TOF bekannt ist, ist somit auch der spezielle Peak des Etalons bekannt, so daß die

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Wellenlänge des durch die beiden Filter bestimmten Geräts ebenfalls bekannt ist. Eine Abstimmung bzw. Verschiebung des Punktes maximaler Durchlässigkeit, d. h. des Transmissionspeaks, für jedes Etalon über das Intervall zwischen aufeinanderfolgenden Peaks läßt sich auf verschiedene Weise durchführen. Für einen Serienbetrieb dieser Vorrichtungen muß ein einzelner Peak des Etalons mit dem TOF abgestimmt bleiben, während beide über einen erwünschten Spektralbereich abgetastet werden. Im folgenden sollen die Einrichtungen zur Durchführung dieser Funktionen beschrieben werden.

Ein abgestimmtes bzw. abstimmbares akusto-optisches Filter besteht grundsätzlich aus einem Kristall, in dem eine Schallwelle gestartet wird, die sich längs des Kristallstabes ausdehnt, wobei sich das zu analysierende Strahlenbündel kolinear zu der Schallwelle ausbreitet. Durch die Anbringung eines Polarisators am Eingangsende der Vorrichtung und eines rechtwinklig zu diesem orientierten Analysators am Ausgangsende der Vorrichtung wird bewirkt, daß das TOF lediglich Licht mit einer bestimmten Wellenlänge hindurchtreten läßt. Frequenz und Leistung der Schallwelle können geregelt werden, wodurch es gelingt, die Wellenlänge des durch das TOF hindurchtretenden Lichtes einzustellen. Ein Etalon besteht grundsätzlich aus einem Paar ebener Spiegel, welche Licht teilweise hindurchtreten lassen und teilweise reflektieren und eine kleine Absorption aufweisen. Diese Spiegel sind in einem Abstand voneinander und parallel zueinander angeordnet. Wenn sie in ein Strahlenbündel eingebracht sind, werden bestimmte Wellenlängen aufgrund des. Resonanzverhaltens hindurehgelassen, während andere zurückreflektiert werden.

Im Hinblick auf die vorstehenden Ausführungen benötigt man bei einer Verwendung eines hinsichtlich der Wellenlängen abstimmbaren akusto-optischen Filters für die Zwecke der Spektralanalyse eine Regelung bzw. Steuerung der Filterdurchlässigkeit

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bei von dem Durchlassigkeitspeak entfernten Wellenlängen. Dies ist eine Folge der sogenannten "Nebenmaximas" (sidelobe response) des TOF, die durch folgende Formel zum Ausdruck kommen:

v ±A'v) - T

²sm² 2 O ² + \?1?ÄV ²J ' ² ₊b² L²

λι) - 0.28)²

Hierin bedeuten H die normierte Durchlässigkeit bzw. den Trans missionsgrad, welche bei der Mittelfrequenz Ί/ ^l ist und Al/ die Frequenzänderung bzw. das Frequenzinkrement von 4^

ρ p
Die Konstante b L hängt von Material und Geometrie des TOF ab und ist abhängig von der Wellenlänge. Für den Fall von OaMO^-Kristallen, die im sichtbaren Bereich des Spektrums verwendet werden, gilt hierbei

b =

L bedeutet schließlich die Länge des Kristalls in cm.

Die Funktion H fällt mit einer Entfernung von dem mittleren PeaV τ? nicht monoton ab, sie weist vielmehr ein Muster von sich wiederholenden Nullstellen und lokalen Maximas auf, wenn^JiT von Null aus zunimmt. Die Anwesenheit der Nullstellen, d. h. derjenigen Bereiche, an denen keine Durchlässigkeit stattfindet, eignet sich, um von 1> verschiedene Frequenzbereiche auszuschalten, wobei jedoch die von Null verschiedene Durchlässigkeit an den lokalen bzw. Nebenmaximas für

Av ψθ ein unerwünschtes Signal liefern. Die Nullstellen, d. h. diejenigen Stellen, an denen keine Durchlässigkeit herrscht, lassen sich wie folgt als Funktion einer ganzen

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Zahl n wiedergeben.
Nullstellen: ΔΪ =

Die Nebenmaxima lassen sich in Abhängigkeit von einer ganzen Zahl m wie folgt wiedergeben:

Λ- 2TE i

Nebenmaxima: ^Ay ⁼ bL (m(m+l))2 , m = 1,2,3,

wobei ihre Durchlässigkeit, bezogen auf diejenige bei durch folgende Beziehung wiedergegeben wird:

Peakhöhe =

Die Notwendigkeit, die auf diese Nebenmaximas zurückzuführenden Signale zu unterdrücken, hängt von den Einzelheiten des zu untersuchenden Spektrums ab, sowie von der bei der Messung benötigten Genauigkeit. Das Unterdrücken dieser Nebenmaximas läßt sich auf eine Anzahl von verschiedenen Wegen erreichen, von denen im folgenden drei beschrieben werden:

I. Kaskadenbetrieb von TOF

Die Verwendung von zwei oder mehreren TOF im optischen Strahlengang liefert eine Filterkurve, die durch folgende Formel wiedergegeben wird:

(-v_o +Av) J

wenn ρ TOF in Reihe angeordnet sind. Die sich hierdurch ergebende Verbesserung in der Filterkurve d. h. in der Durchlaßcharakteristik wird aus der folgenden Tabelle ersichtlich, in

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der die Durchlässigkeit, bezogen auf diejenige bei ~V_Q, der abgestimmten Mittelfrequenz aufgetragen ist.

Durchlässigkeit

1 TOF

2 TOF

	Nebenmax imum	100
erstes	Nebenmaximum	11,1
zweites	Nebenmaximum	4,0
drittes	Nebenmaximum	2,0
viertes	Nebenmaximum	1,2
fünftes	0,83

3 TOF

100	100	0	,14	~³
1,24		X	10	10
0,16	6	5	X	10
0,04	8,	9	X	10
0,015	1,	6	X
0,0068	5,

II. TOF plus Fabry-Perot-Etalon

Indem man längs des optischen Strahlengangs ein TOF und ein Fabry-Perot-Etalon in Reihe anordnet, gelingt es, den Durchlassigkeitspeak des TOF mit dem Durchlassigkeitspeak des Etalons zusammenfallen zu lassen. Gleichzeitig ist es möglich, den benachbarten Durchlassigkeitspeak des Etalons in den Bereich der ersten Nullstelle des TOF zu legen.

Hierzu benötigt man einen freien Spektralbereich FRS des Etalons

von:

/ai?(F.s.R.) =

bL

Die Nebenmaximas des TOF fallen dann zwischen die Durchlässigkeitspeaks des Etalons, so daß die Gesamtdurchlässigkeit bei den Nebenfrequenzmaximas wesentlich herabgesetzt ist. Für einen breiten Bereich einer Frequenzabtastung sollte aufgrund der Wellenlängenabhängigkeit von b das Etalon in Längsrichtung ab-

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getastet werden, wenn die Mittelfrequenz des TOP geändert wird,um obige FSR-Beziehung aufrechtzuerhalten.

Man erkennt aus der Funktion H, daß für kleine η (Nullstellen) die Abstände zwischen benachbarten Nullstellen nicht eine konstante Zahl von cm" ist. Hierin besteht ein Unterschied zu den konstanten Peak-Abständen des Fabry-Perot-Etalons. Dies bedeutet, daß durch Zusammenlegen eines Fabry-Perot-Durchlässigkeitspeaks an die Durchlässigkeits-Nullstelle erster Ordnung für das TOF nicht eine Übereinstimmung zwischen Peaks und Nullstellen für alle Nullstellen des TOF erreicht wird. Die folgende Tabelle untersucht die Leistungsfähigkeit eines 6 cm langen TOP und eines Etalons mit einer FSR, die gleich dessen erster Nullstelle ist. Für das Etalon wird eine Feinheit (finesse) von 50 angenommen. Die Ergebnisse sind für 4500 S wiedergegeben.

TOF + 1 Etalon (FSR bei erster Nullstelle des TOF)

Durchlässigkeit (%)

TOF <V„ 100

erstes Nebenmaximum 6,365 cm" 3,6 χ 1°

zweites Nebenmaximum 11,025cm 4,1 χ 10"^

drittes Nebenmaximum 15,5923cm" 2,0 χ 10

viertes Nebenmaximum 20,129 cm" 1,22 χ 1

Durchlässigkeit der TOF-Anlagfc (%)

F.P.I, max. sy, 100

1 F.S.R. = 3*898 cm"¹ 0,0

2 F.S.R. = 7,796 cm"¹ 2,6

3 F.S.R. = 11,694 cm"¹ 2,9

4 F.S.R. = I5.592 cm"¹ 2,0

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Um die Schwierigkeiten zu überwinden, die sich aus der Änderung in den Nulls teilen-Abständen der TOF ergeben, ist es zweckmäßig, den Fall zu betrachten, daß FSR des Etalons für η = 2 oder η = Null gesetzt wird. Für die in Betracht gezogene TOF-Einheit benötigt man ein Etalon.

FSR

2te Nullstelle 3te Nullstelle

4500 8 8,718 cm"¹ 13,318 cm"¹

55ΟΟ 8 I4,7l6 cm"¹ 22,479 cm"¹

6500 8 19,784 cm"¹ 30,221 cm"¹

7500 8 23,987 cm"¹ 36,641 cm"¹

Die Länge des Etalons würde geändert, wenn die TOF-Mittelfrequenz «V verschoben wird.

Auflösung

2te Nullstelle = 574yum 208,um 0,17 - 0,48 cm"¹ 3te Nullstelle = 375 ,um 137/um 0,27 - 0,73 cm"¹

Eine Übereinstimmung an der dritten Nullstelle scheint eine gute Alternative zu bilden, wenn die Länge des Etalons leicht geändert werden kann. Berechnungen für 4500 8 zeigen:

Durchlässigkeit {%)

jzt ' - 100

ltes Nebenmaximum 1,1 χ 10"

-2

2tes Nebenmaximum 1,4 χ 10

3tes Nebenmaximum 7,5 x ΙΟΥ

4tes Nebenmaximum 1,2 χ 10~^

5tes Nebenmaximum 3,9 x 10"·^

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III. TOF und 2 Etalons

Bei einer Verwendung von Etalons mit unterschiedlichem Abstand (FSR-Werten) und einem TOF läßt sich eine Anordnung treffen, bei der die Durchlassigkeitspeaks von allen bei dem gleichen ^Y liegt, wobei jedoch keine wesentliche Überlappung für bemerkenswerte Verschiebungen von "V auftreten. Die beiden Etalons können nun eine feste Länge und synchrone Winkelabstimmung aufweisen.

TOF + ETALON 1 + ETALON 2

(FSR = 40 cm"¹) (FSR = 25 cm"¹)

Kritische Punkte, bei denen zumindest ein Element eine maximale Durchlässigkeit aufweist, sind im folgenden für ^p entsprechenc 45OO 8 und eine Etalon-Feinheit von 50 angegeben.

Durchlässigkeit {%)

lstes Seitenmaximum
25 cm"¹
40 cm"¹

Die Herabsetzung der Durchlässigkeit bei .einer Entfernung von *V ist besonders bei diesem Beispiel deutlich.

Die Wahl der FSR für die Etalons wird so getroffen, daß die Unterdrückung der TOF-Seitenmaximas und Etalon-Nebenpeaks über dem erwünschten Gesamtarbeitsbereich des Gerätes optimal werden.

Bei einer Verwendung von zwei Etalons in der beschriebenen Weise ist es wichtig, daß ihre FSR-Werte sich ausreichend voneinander unterscheiden, so daß sie sowohl im erwünschten Umfange die

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Seitenmaximasignale der TOP und die Wellenlängen ausscheiden, die von den beiden Etalons neben deren Peaks hindurchgelassen wurden. Andererseits ist es aus praktischen Gründen wichtig, auch wenn es für den Betrieb nicht wesentlich ist, daß die Etalons nach einem vernünftigen Bereich zusammenfallen, da dieses Zusammenfallen bzw. diese Koinzidenz eine Beendigung d3s Abtastvorgangs ermöglicht und ein Rücksetzen der Etalons in ihre ursprüngliche Einstellung wie dies in Verbindung mit den anderen Ausführungsformen des Geräts beschrieben ist.

Mit der Erfindung wird somit ein Spektralgerät geschaffen, das sich für eine Messung der Spektralcharakteristiken von schwachen Lichtquellen eignet, beispielsweise zur Bestimmung der Laser-Raman-Streuung von Flüssigen. Das Gerät besteht aus einem abstimmbaren akusto-optischen Filter, an das sich ein Fabry-Perot-Etalon anschließt. Desweiteren sind Schaltungen vorgesehen, um die beiden "Vorrichtungen auf die gleiche Frequenz oder Wellenlänge abzustimmen. Das akusto-optische Filter· entfernt mit Ausnahme der speziell interessierenden Wellenlänge das meiste Licht, während das Etalon weiteres Licht entfernt, das nicht der Wellenlänge entspricht, auf welche die Anordnung abgestimmt ist. Der geometrische Fluß durch beide Vorrichtungen ist so groß, daß eine erheblich größere Lichtmenge durch die Kombination derselben hindurchtritt als dies bei anderen Geräten mit vergleichbarem Auflösungsvermögen der Fall ist.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden zwei Etalons in Reihe mit einem TOF verwendet. Die Etalons haben wesentlich unterschiedliche FSR-Werte, wobei diese Spektralbereiche so ausgewählt sind, daß das kleinste gemeinsame Vielfache ein Mehrfaches des größeren FSR ist und daß der Unterschied zwischen den FSR groß genug ist, daß dann, wenn sie bei einer Wellenlänge zusammenfallen, sich ihre

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Wellenlängen bei benachbarten Peaks wesentlich unterscheiden.

Die beiliegende Zeichnung dient der weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 1 zeigt im Diagramm eine Schaltung von einer Ausführungsform der Erfindung.

Fig. la und Ib zeigen Diagramme, welche eine Abtastung durch Verkippen des Etalons betreffen.

Fig. Ic zeigt ein typisches Raman-Spektrum.

Fig. Id und Ie zeigen Diagramme zur Erläuterung des Betriebs der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung.

Fig. If und Ig zeigen eine weitere Betriebsart. Fig. 2a und 2b zeigen eine weitere Betriebsart. Fig. ~5& und JJb zeigen schematisch weitere Betriebsarten.

Fig. 4 zeigt ein Diagramm von einer weiteren Abwandlung der Erfindung.

Fig. 4a, 4b und 4c zeigen Diagramme, welche dem Betrieb des in Fig. 4 dargestellten Geräts betreffen.

Die Fig. 5a·, 5b und 5c zeigen Diagramme betreffs einer weiteren Betriebsart des in Fig. 4 dargestellten Geräts.

Fig. 6 zeigt ein Diagramm zur weiteren Erläuterung der Erfindung.

Fig. 7 zeigt eine weitere abgewandelte Ausführungsform der Erfindung, bei der zwei Etalons in Reihe mit einem TOF verwendet

^sind· 509850/0316

Pig. 1 zeigt eine Eingangsoptik 2, welche dazu dient, das von einer Strahlungsquelle mit unbekannter Wellenlänge kommende Licht zu sammeln bzw. parallel zu richten. Dieses Licht tritt durch ein TOF 4 und gelangt anschließend zu einem Etalon 6. Die Abstimmung des Etalons erfolgt in dieser Figur durch ein Verkippen desselben in bekannter Weise. Eine Abstimmwirkung kann jedoch auch, wie in Fig. 4 dargestellt, dadurch bewirkt verden, daß man den Abstand der Spiegel ändert. Von dem Etalon tritt das Lieht zu einer Photomultiplier-Röhre 8, deren elektrisches Signal zu einem Signalwiedergewinnungssystem 10 gelangt, welches das Signal aufnimmt, sowie anschließend zu einem Rechner oder Signalmittelwertbilder 12, der das Signal speichert und aufzeichnet. Selbstverständlich kann anstelle des Rechners auch ein Betrachtungsgerät angebracht werden, wie beispielsweise ein Kathodenstrahloszilloskop, ein Meßgerät oder eine andere Anordnung für die Anzeige der erwünschten Information.

Bei einem gekippten Etalon enthält das von ihm durchgelassene Licht einer bestimmten Wellenlänge eine Mehrzahl von Strahlen der gleichen Wellenlänge, wie beispielsweise strahlen der Wellenlänge Λ -,in Fig. la. Andere Wellenlängen werden unter anderen Winkeln hindurchgelassen, wie dies beispielsweise für die Wellenlängen /to ^¹^ H, -ζ. ^von Fig· 1 durch unterschiedliche Geraden wiedergegeben ist. Wenn eine derartige Vorrichtung gekippt wird, hängt die Wellenlänge des Lichts, das sich in eine gegebene Richtung ausbreitet, von dem Kippwinkel ab. In Fig. 1 breitet sich das durch das Etalon hindurchtretende Licht mit der Wellenlänge Λ -,in Richtung A-A, d. h. in Richtung auf den Detektor aus, wenn das Etalon die dort angegebene Orientierung aufweist. In Fig. Ib wurde das Etalon um einen Winkel ΔQ gekippt. Nunmehr tritt Licht mit der Wellenlänge Λ durch das Etalon in Richtung A-A hindurch. In Abhängigkeit von dem Ki pp-

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winkel tritt somit Licht mit unterschiedlihen Wellenlängen durch das Etalon hindurch. Es versteht sich, daß eine periodische Folge von Wellenlängen durch das Etalon in Richtung A-A gleichzeitig für Jede Orientierung desselben hindurchtreten kann. Der Abstand dieser Folge ist durch FSR oder den äquivalenten Wellenlängenbereich bestimmt. Dies gilt jedoch nur für diejenigen Wellenlängen, die innerhalb eines begrenzten Bereichs liegen, der von dem Durchlaßbereich des TOF bestimmt ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform wird somit ein Etalon, das in einem festen Abstand angeordnet ist, so gekippt bzw. verschwenkt, daß seine Spiegelflächen ihre Orientierung zu der optischen Achse des Geräts ändern. Für den Betrieb des Etalons nahe des normalen bzw. senkrechten Einfalls ergibt sich für die Winkel und Wellenlängenabstimmung:

Al= 2d

was für θ von Null aus gemessen zu folgender Beziehung führt: Al

Aa. =

5L
2d

was für Q von Null aus gemessen zu folgender Beziehung führt:

worin d der Abstand der Spiegel im Etalon ist.

m bedeutet die Ordnung des Etalons, d. h. -j-_} und V= -t~

die Wellenzahl der koinzidenten Mittelpunkte des Durchlässigkeitsbereichs von Etalon und TOF.

Das TOF kann von einer Bauart sein, wie sie in der US-PS 3 679 288 beschrieben ist.

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Die vorstehend beschriebene Anordnung stellt das Gerät in seiner einfachsten Form dar.

Im folgenden wird auf Fig. 6 eingegangen. Fig. 6 zeigt die berechneten Werte für den geometrischen Fluß der entsprechenden Bauelemente. Diese sind:

1. Akusto-optisches Filter f/10, 4 mm Durchmesser mit ·?/ konstant.

2. Fabry-Perot-Interferometer, auch als Etalon bezeichnet, mit 1" Durchmesser Kreisspiegeln und

R = 2TA

worin R das Auflösungsvermögen und A den Bereich der Platten bedeuten.

j5. Monochromatorsystem 0,75 mm f/7 mit kreisförmigem Bild, dessen Durchmesser gleich der Spaltbreite ist. Die Spaltbreite bestimmt die Auflösung. In diesem Diagramm, in dem ein f/1-

Sammelsystem angenommen wurde, bezeichnen die links aufgetragenen Zahlen den maximal wirksamen Durchmesser der Quelle in /um. Auf der Abszisse ist die Auflösung aufgetragen. Die Zahlen auf der rechten Seite geben den geometrischen Fluß, d. h. das Pro-

dikt aus Fläche und Raumwinkel wieder (cm x sr).

Die Gerade A an der Oberseite der Fig. 6 zeigt, daß der geometrische Fluß des akusto-optischen Filters konstant ist. Die Gerade B zeigt die Änderung des geometrischen Flusses von dem Fabry-Perot-Etalon mit der Änderung der Auflösung. Man erkennt, daß sich die Geraden A und B im Punkt ab schneiden, der einer Auflösung von annähernd 1,12 χ 10 entspricht. Der geometrische Fluß des Gesamtsystems ist geringer als der geometrische Fluß der beiden Elemente, d. h. des akusto-optischen Filters und des Etalons, wobei er von der Geraden A links des Schnitt-

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Punktes ab und der Geraden B rechts von diesem Punkt wiedergegeben wird.

Die Gerade C gibt den Durchmesser der Lichtquelle wieder, welchen das Etalon aufnimmt, während die Gerade D den Durchmesser anzeigt, den das akusto-optische Filter aufnimmt. Diese Durchmesser lassen sich aus der linken Skala in yum entnehmen. Links von dem Schnittpunkt cd der Linien C und D entspricht die Linie D dem maximalen Durchmesser, rechts von dem Schnittpunkt die Linie C.

Die Linie E stellt den geometrischen Fluß des Monochromators dar. Die Linie F stellt den größten Durchmesser der Quelle dar, der mit einer Optik von f/1 für einen derartigen Monochromator verwendet werden kann.

4 Man erkennt, daß sich beispielsweise für eine Auflösung von 10 für die Kombination aus schwenkbarem optischem Filter und Etalon eta möglicher Durchmesser für die Quelle von annähernd 450/um ergibt, während der Monochromator für eine entsprechende Auflösung einen verwendbaren Quellendurchmesser von weniger als 18 /Um aufweist. Der Lichtdurchsatz der Kombination ist daher bei einer Auflösung von 10 ungefähr um einen Faktor von 25 oder 625 größer als bei dem Monochromator.

Es ist jedoch, wie oben erwähnt, notwendig, daß das TOF und das Etalon aufeinander abgestimmt sind.

In den folgenden Ausführungen wird wieder auf Fig. 1 Bezug genommen. Ein Teil des von dem Signalwiedergewinnungssystem 10 erhaltenen Ausgangssignals wird einem XY-Aufzeichnungsgerät 14 zugeführt, dessen X-Eingang von einer Programmsteuerung betrieben wird. Die Programmsteuerung regelt desweiteren über ein Abtasthochfrequenzgenerator l8 das TOF 4. In entsprechender Weise speist die Programmsteuerung 16 auch ein Lagensteuergerät

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20, das die Lage des Etalons synchron zur Abstimmung der optischen Filter derart ändert, daß die beiden weiterhin Licht von Wellenlängen oder Frequenzen innerhalb des gleichen Durchlaßbereiches hindurchtreten lassen, während eine Abtastung über einen erwünschten Bereich stattfindet.

Die Eingangsoptik von Fig. 1 enthält eine Optik zum Sammeln des Lichts, eine Optik, die als Kollimator wirkt, d. h. das Licht parallel richtet, und ein optisches Sperrfilter 19 (optical reject filter), wenn Streulicht bei der Laserwellenlänge entfernt werden soll. Der Photomultiplier 8 ist eine Photomultiplierröhre oder ein anderer Intensitätsdetektor.

Es ist notwendig, periodisch die Koinzidenz zwischen dem TOF und dem Etalon wieder herzustellen, insbesondere nach einer Rückstellung von einem' oder von beiden derselben.

Zu diesem Zweck sind neben der Programmsteuerung 16 und dem Lagensteuergerät 20 ein Zittergenerator 24 und ein Einfangverstärker 22 vorgesehen. Die Programmsteuerung 16 kann gleichzeitig eine Lichtquelle 26 für weißes Licht erregen. Dieses Licht wird über einen Spiegel 28 zwecks Kallibrierung der Filter der Eingangsoptik 2 zugeführt. Der Spiegel 28 wird herausgeklappt, wenn mit der Aufzeichnung der unbekannten Quelle wieder begonnen wird.

Das Lagensteuergerät 20 ist eine mechanische oder elektromechanische Einrichtung zur Steuerung der Winkellage des Etalons. Der Wechselstromzittergenerator 24 liefert eine Wechselstromkomponente mit ausgewählter Frequenz an die Abstimmschaltung des TOF über den Abtast-HF-Generator 18. Diese Wechselspannungszitterfrequenz moduliert das Signal von der Lichtquelle für weißes Licht, wie es in dem Einfangverstärker ermittelt wird, um eine Korrektionsgleichspannung zu erzeugen, welche die Steuerung derart betätigt, daß das Etalon auf einen maximalen Lichtdurchsatz bei dem weißen Licht eingestellt wird. Zur Er-

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zielung der maximalen Durchlässigkeit wird das Etalon auf das gleiche Λ, oder V wie das TOF eingestellt. Der Abtast-HP-Generator stimmt das TOF ab und die Programmsteuerung beginnt eine gleichzeitige Abtastung des TOF und des Etalons. Mit Rechner wird irgendeine weitere Signalaufbereitungs- oder Speicherelektronik bezeichnet.

Die Fig. Id und Ie zeigen die zeitlichen Perioden des akustooptischen Filters und des Etalons bei einer bevorzugten Betriebsart.

Fig. Id zeigt die mittlere Wellenlänge des TOF-Durchlaßbereiches. Fig. Ie zeigt die Wellenlänge des Etalons. Bei dem TOF wird die Wellenlänge in kleinen Schritten vergrößert oder verkleinert, welche vorzugsweise kleiner sind als die FSR des Etalons. Man erkennt, daß zu Beginn die mittleren Wellenlängen des TOF und des Etalons gleich sind, und daß eine Gewinnung und eine Aufzeichnung von Daten während einer bestimmten Periode erfolgt. Anschließend wird das TOF auf eine andere Mittenwellenlänge ausgerichtet. Während der gleichen Zeitdauer wird das TOF der Zitterfrequenz ausgesetzt, während Licht von der Lichtquelle für weißes Licht hindurchtritt, wobei das Etalon allmählich so eingestellt wird, daß das Etalon und das TOF bezüglich X und V übereinstimmen. Diese Schritte werden alternierend wiederholt, wobei die erhaltenen Daten entweder betrachtet oder aufgezeichnet werden. In periodischen Abständen wird, wie dies auf der rechten Seite von Fig. Ie dargestellt ist, aus Gründen eines zweckmäßigen Betriebes das Etalon um eine oder mehrere FSR zurückgestellt oder vorgestellt und es erfolgt eine Wiederholung des gleichen Vorgangs.

Das TOF wird um einen Schritt nach oben oder unten durch Abstufung des Radiofrequenzgenerators weitergeschaltet. Anschließend wird der HF-Frequenz des TOF ein Zittersignal überlagert, dessen Größe derart gewählt ist, daß der Zitterbereich in ^,V erheblich kleiner ist als der Durchlaßbereich des TOF. Wenn weißes Licht von der Quelle durch das TOF und das Etalon

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hindurchtritt, wird ein Mitziehempfang (lock-in detection ) des durchgelassenen weißen Lichts bei der Zitterfrequenz zur Korrektion der Etaloneinstellung verwendet, so daß es in Übereinstimmung mit dem TOP gebracht wird.

Das vorstehend beschriebene Verfahren, bei dem eine Zitterfrequenz verwendet wird, ist eine Möglichkeit, um das TOP an eine andere Vorrichtung anzupassen, welche einen engen Durchlaßbereich hat, wie beispielsweise an ein Etalon oder umgekehrt.

Für Anwendungen auf dem Gebiet der Raman-Spektroskopie, bei denen ein Laser 17 als Lichtquelle verwendet wird, ist ein optisches Sperrfilter 19 zwischen die Eingangsoptik und das TOP eingebracht. Es ist Aufgabe dieses Filters, das von der Raman-Probe 21 gestreute Laserlicht auszuschalten und den Rest des Spektrums hindurchtreten zu lassen. Wenn die Laser-Erregerquelle geändert wird, muß auch der Bandbereich, an dem das Filter seine Sperrwirkung ausübt, geändert werden. Das Filter ist für diejenigen Anwendungsfälle, bei denen ein Laser Verwendung findet, wichtig, wenn nicht das Licht des Lasers selbst ermittelt werden soll, sondern irgendeinem anderen Besonderzeit des Spektrums, die von der untersuchten Probe und dem Licht des Lasers in irgendeiner Weise hervorgerufen wird. Der Grund hierfür beruht darin, daß das Laserstreulicht eine erheblich größere Intensität aufweist als beispielsweise das Raman-Streulicht der Probe.

Eine derartige Anordnung ermöglicht die Besttnmung des Spektrums von einer Probe, beispielsweise aus dem Raman-Effekt, wie dies in Fig. Ic dargestellt ist. Dies bedeutet mit anderen Worten ausgedrückt, daß während der von der Vorrichtung durchgeführten Abtastung vorhandenes Licht unterschiedlicher Wellenlänge durch das akusto-optische Filter und auch durch das Etalon hindurchtritt und von einer geeigneten Anordnung aufgezeichnet wird.

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Das TOP und das Etalon werden über einen PSR oder einen ausgewählten Bereich desselben abgetastet, wonach der Abtastvorgang beendet wird. Ein Servosystem richtet dann das Etalon in erwünschter Weise wieder aus und führt es zu dem gleichen Λ. oder "V des TOP zurück. Bei den Ausricht- und Synchronisierungsvorgängen wird eine Lichtquelle 23 für weißes Licht, die in dem Gerät eingebaut ist, verwendet, um ein Bezugssignal für die Ausrichtung des Etalons und die Wiederherstellung von koinzidenten Durchlaßbereichen des Etalons und des TOP zu schaffen. Anschließend wird diese Lichtquelle ausgeschaltet und es beginnt ein weiterer Abtastvorgang von einem PSR oder einem Bruchteil desselben. Diese Sequenz von einem Vorgehen wird wiederholt, um den gesamten Bereich der erwünschten Spektralabtastung abzudecken.

Zwecks Vermeidung des Erfordernisses einer zu breiten Einstellung des Etalons und aufgrund der Wiederkehr der davon kommenden Signale ist es lediglich notwendig, den Winkel über einen PSR abzutasten, auch wenn ein Abtasten über einen oder mehrere PSR möglich ist, bevor eine Zurückstellung zu dem Ausgangswinkel erfolgt.

Bei einer anderen Betriebsart, die in den Fig. If und Id dargestellt ist, kommt eine Zitterfrequenz für den TOP sowohl während der sitlichen Perioden, bei denen eine Aufnahme von Daten erfolgt, als auch während der zeitlichen Perioden, während deren eine Ausrichtung erfolgt, zur Anwendung. Während der Perioden, bei denen die Daten gewonnen werden, sind jedoch die weiße Lichtquelle und die Fehlerverstärker nicht in Betrieb. Diese Zitterfrequenz des TOP führt während der Gewinnung der Daten dazu, daß man eine Ableitung des unbekannten Spektrums von der Quelle erhält, wenn das Ausgangssignal über einen Einfangdetektor (lock-in detector) aufbereitet wird.

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Diese Betriebsart wird "derivative Spektroskopie" bezeichnet. Sie wird auch mit anderen spektroskopischen Geräten (Monochromatoren) verwendet, wozu geeignete Einrichtungen eingefügt werden. Die derivative Spektroskopie hat besondere Vorteile, wenn es gilt, schwache oder enge Einzelheiten des Spektrums von einem breiten Untergrund unterscheidbar zu machen. Dies kann besonders bei der Raman-Spektroskopie wichtig sein, wo der Laser ein breites Fluoreszenzspektrum von der Probe zusätzlich zu der engen Ramanstrahlung erzeugt. Die derivative Spektroskopie hebt die erwünschte enge Besonderheit des Spektrums von dem unerwünschten breiten untergrund hervor. Es ist desweiteren möglich, den gleichen Einfangverstärker alternierend zur Ausrichtung des Etalons mit dem TOF während der Ausrichtungssynchronisierungsperiode und zur Aufbereitung des derivativen Spektrums während der Datenaufzeichnungsperiode zu verwenden.

Die Fig. 2a und 2b unterscheiden sich von den Fig. Id und Ie dahingehend, daß die Wellenlänge des akusto-optischen Filters während aufeinander folgender Schritte konstant gehalten wird, wobei während des ersten Teils derselben das Etalon einer Zitterfrequenz ausgesetzt und auf die gleiche Wellenlänge wie das TOF gebracht wird. Das Etalon wird im Falle der Fig. 2b diskontinuierlich in einer Richtung weiterbewegt oder abgetastet, bis es notwendig ist, es auf eine unterschiedliche Ordnung zurückzustellen, jedoch auf eine Wellenlänge, welche der Mittelwellenlänge entspricht, auf welche das akustooptische Filter zu diesem Zeitpunkt eingestellt ist.

Fig. Ic zeigt die Bestimmung von einem typischen Raman-Spektrum aus dem Streulicht der Laserwellenlänge. In dieser Zeichnung ist das Streulicht mit einer Amplitude dargestellt, die um einen

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Faktor von 100 bis 1000 verkleinert wurde. Man erkennt, daß verschiedene Peaks ermittelt sind, welche das Raman-Spektrum des untersuchten Materials bestimmen.

Eine andere Betriebsart ist in den Pig. Ja. und ^b dargestellt. In diesen Fällen werden die Mittelwellenlänge des TOF und die Wellenlänge des Etalohs gleich gehalten, wobei jedoch mit ihnen allmählich der FSR abgetastet wird. Anschließend wird das Etalon eine Ordnung zurückgesetzt und es erfolgt eine Ausrichtung mittels Zitterbewegung von einem der Filter, in diesem Falle des Etalons. Diese Schritte werden dann wiederholt, so daß abermals ein Spektrum von der Art entsteht, wie es in Fig. Ic dargestellt ist.

Die in Fig. 4 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von derjenigen der Fig. 1 darin, daß sie ein Etalon 6* mit einem variablen Abstand verwendet. Bei diesem Etalon'6¹ kann der Spiegelabstand elektronisch variiert werden. Dies geschieht durch Befestigung des einen Spiegels auf einer piezoelektrischen Keramik oder einer anderen Einrichtung und durch elektrische Aufladung der Keramik. Das Etalon enthält, wie vorstehend bereits erwähnt wurde, einen Satz von Durchlaßbereichen in gleichmäßigen Abständen, deren Wellenzahlabstände gleich dem FSR l/2d sind,wenn d den Abstand der Spiegel im Etalon bedeutet. Wenn d um C/2 geändert wird, erfolgt eine Variierung des Etaiondurchlaßbereiches über einen FSR,.so daß anschließend jeder Durchlaßbereich denjenigen ersetzt hat, der bezüglich der Wellenzahl unmittelbar oberhalb(oder unterhalb)lag. Die Anordnung von Fig. 4 enthält einen piezoelektrischen Kristall 6a, der die Länge bzw. die Abstimmung des Etalons einstellt, sowie piezoelektrische Kristalle 6b und 6c,welche die Neigung des Spiegels"einstellen, so daß er während der Ausrichtungsperiode parallel zu dem anderen Spiegel ausgerichtet werden kann.

In diesem Falle erzeugt ein Wechselstromzittergenerator eine

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Wechselspannung mit einer ausgewählten Frequenz oder mit drei unterschiedlichen Frequenzen, falls dies erwünscht ist, über eine PZT-Spannungssteuerung 30 an den drei piezoelektrischen keramischen Elementen. Das eine Element 6a bewirkt eine Einstellung des Etalonabstands. Die anderen beiden Elemente 6b, 6c justieren die Winkelausrichtung von einem Etaionspiegel zu dem anderen. Unter Zitterwirkung Gder den Zitterwirkungen) wird eine Wechselspannungskomponente (oder werden Wechselspannungskomponenten) dem ermittelten Multiplier-Signal überlagert,wenn die weiße Lichtquelle eingeschaltet ist. Aufgrund der Wirkung der Wechselstromfehler- und Einfangverstärker yi (error amplifiers and lock-in) erhält man Korrektionsgleichspaniiungen, mit denen eine Rückkopplung zur Ausrichtung des Etalons und zur Einstellung von dessen Länge derart erfolgt, daß die Durchlässigkeit der in Reihe angeordneten Kombination aus TOF und Etalon für das von der Lichtquelle 2.6 kommende weiße Licht maximal wird. Es ist auch möglich, die piezoelektrischen Kristalle 6b und 6c einer Zitterbewegung zu unterwerfen, um eine Ausrichtung durchzuführen sowie dem TOF eine Zitterfrequenz zu erteilen, um die Wellenlänge auf diejenige einzustellen, die von dem Abstand des Etalons bestimmt ist, oder eine Zitterfrequenz an das TOF anzulegen, um das Etalon auf die Wellenlänge des TOF einzustellen.

Die Fig. 4a, 4b und 4c zeigen eine Betriebsart des in Fig. 4 dargestellten Geräts. Man erkennt hierbei, daß die Wellenlänge des akusto-optischen Filters, d. h. des TOF und die Längenänderung des Etalons der Wellenlänge des TOF und dem Verkippen des Etalons von Fig. Id und Ie entsprechen. Fig. 4c zeigt, daß die Spannung, welche an die eine Ausrichtung vornehmenden piezoelektrischen Kristalle 6b und 6c angelegt wird, während jedes Abtastintervalles konstant gehalten wird, wobei anschließend eine Einstellung durch eine Zitterfrequenz auf einen Wert erfolgt, der der gleiche wie der vorherige Wert oder ein davon unterschiedlicher sein kann, der jedoch

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in jedem Falle so gewählt ist, daß die parallele Beziehung zwischen den Spiegeln des Etalons beibehalten wird.

Die Pig. 5a, 5t> und 5c zeigen das gleiche Konzept wie es bei den Pig. 2a und 2B angewendet wird, wobei sie jedoch abermals die Spannungen an den für die Ausrichtungen vorgesehenen Kristallen 6b und 6e in der gleichen Weise wie in Fig. 4c zeigen.

Durch abermalige Bezugnahme auf Pig. 6 wird ersichtlich, daß bei dem erfindungsgemäßen Gerät der Lichtdurchsatz, der dem geometrischen Pluß "?£ proportional ist, um eine bis drei Größenordnungen höher ist als bei einem Monochromator mit einem Auflösungsvermögen, wie er üblicherweise in einer derartigen Meßanordnung verwendet wird. In üblichen Situationen ist ein Monoehromatorsystern nicht in der Lage, soviel vcm an der Probe gestreuten Licht aufzunehmen, wie es leicht von den hier beschriebenen Instrumenten durchgeführt werden kann. Die Leistung des Monochromators läßt sich in der Tat etwas unter den Bedingungen einer hohen Auflösung (0,5 cm~ ) verbessern, da das Bild des Spalts höher als breit sein kann. Man ersieht ais den Kurven, daß die neuen Instrumente jeweils einen Vorteil bezüglich des zum Detektor gelangenden Lichts aufweisen, insbesondere bei einer hohen Auflösung.

Bei der in Fig. 7 dargestellten Anordnung werden zwei Etalons 6* und: 6" verwendet, die synchron von dem Lagensteuergerät gesteuert werden. Diese Etalons haben wesentlich voneinander verschiedene FSR . So kann beispielsweise das Etalon 6* einen FSR von 40 cm~ aufweisen, während das Etalon 6" einen FSR von 25 cm~ aufweist.

Es wird darauf hingewiesen, daß das kleinste gemeinsame Vielfache der beiden Spektralbereiche 200 Ist, was erheblich größer ist als der eine oder der andere Spektralbereich per se. Auch die

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Differenz zwischen den FSR ist derart, daß sich die Bereiche nicht mehr als einen kleineren Anteil überlappen mit Ausnahme bei Werten, die sich deutlich von den Grundwerten unterscheiden, insbesondere im Bereich von 200 on" . Es besteht daher keine Gefahr, daß innerhalb des Betriebsbereichs der Vorrichtung die Peaks von zwei Spektralbereichen zusammenfallen oder sich überlappen, so daß ein Hindurchtreten von den Seitenmaximas des TOP und des Etalons nahezu vollständig ausgeschaltet wird.

Man kann sichergehen, daß diese Ergebnisse erhalten werden, wenn man beispielsweise das kleinste gemeinsame Vielfache der PSR zumindest dreimal so groß wählt wie das des größeren der beiden. Fm eine einfache Verringerung des vor einer Rückstellung notwendigen Umfangs der Abtastung zu erreichen, ist es erwünscht, daß das kleinste gemeinsame Vielfache nicht größer ist als das Zehnfache des größeren der beiden Bereiche.

Für einige Zwecke kann es desweiteren vorteilhaft sein, zwei Detektoren zu verwenden. Einer derselben ermittelt ein Signal, während der andere für Ausrichtungszwecke verwendet wird.

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Claims

Patentansprüche

1.J Spektralgerät, gekennzeichnet durch eine erste (4) und eine ^ S zweite (6) Piltereinrichtung, wobei die erste Filtereinrichtung (4) einen einzelnen Durchlaßbereich und die zweite Filtereinrichtung (6) eine Mehrzahl von in Abständen angeordneten Durchlaßbereichen aufweist, deren jeweilige Breite wesentlich enger ist als der Durchlaßbereich der ersten Filtereinrichtung, wobei die zweite Filtereinrichtung so angeordnet ist, daß sie das Ausgangssignal der Strahlen von der ersten Filtereinrichtung empfängt, sowie durch eine Einrichtung (8), welche dazu dient, das Ausgangssignal der zweiten Filtereinrichtung zu registrieren, durch eine Einrichtung (18) zur Abstimmung bzw. Änderung der ersten Filtereinrichtung, um damit die Frequenz des durch sie hindurchtretenden Lichts zu verändern und durch eine mit beiden Filtern verbundene Einrichtung (16), welche dazu dient, sie in einem Zustand zu halten, bei dem die gleiche Wellenlänge durch beide Filtereinrichtungen während zumindest einer Betriebsdauer des Gerätes hindurchgelassen wird, wobei der Abstand zwischen den Durchlässigkeitsbereichen der zweiten Flltereinrichtung größer ist als die Breite des Durchlaßbereiches der ersten Filtereinrichtung.

2. Spektralgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fi It er einrichtung ein akus-to-optisches Filter und daß die zweite Filtereinrichtung ein Fabry-Perot-Etalon ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (20) zur periodischen Einstellung der zweiten

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Filtereinrichtung (6) auf einen unterschiedlichen Durchlaßbereich.

4. Spektralgerät nach Anspruch ~5, gekennzeichnet durch eine Einrichtung für eine Rejustierung der ersten Filtereinrichtung, um sie bei-der gleichen Wellenlänge wie die zweite Filtereinrichtung zu halten, nachdem die zweite Filtereinrichtung auf einen neuen Durchlaßbereich umgeschaltet ist.

5· Spektralgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zuletzt genannte Einrichtung eine Vorrichtung (28) enthält, um ein Strahlenbündel aus weißem Licht durch die erste und zweite Filtereinrichtung hindurchtreten zu lassen sowie eine Einrichtung (24), um eine der Filtereinrichtungen in eine Zitterbewegung zu versetzen, so daß sie in ihre ordnungsgemäße Abstimmung zurückgeführt wird.

6. Spektralgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, insbesondere für die Raman-Spektroskopie, gekennzeichnet durch eine Laserlichtquelle (17) und eine Probenhalterung (21) zwischen der Laserlichtquelle und der ersten FiItereinrichtung sowie durch ein Sperrfilter (19) für das gestreute Laserlicht, das in dem optischen Strahlengang angebracht ist.

7. Spektralgerät nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch -gekennzeichnet, daß die zweite Filtereinrichtung zwei Fabry-Perot-Etalons enthält, die in Reihe angeordnet sind und wesentlich voneinander verschiedene freie Spektralbereiche enthalten, wobei die Differenz zwischen den freien Spektralbereichen ausreichend groß ist, um wesentlich alle Signale von den Seitenmaximas der ersten Filtereinrichtung und von den Etalons außerhalb derer Koinzidenzwerte auszuschalten (Fig. 7)·

8. Verfahren zum Betrieb eines Spektralgeräts insbesondere gemäß

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einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß Licht mit unbekannter Wellenlänge hindurchgeleitet wird, daß gleichzeitig die von der ersten PiItereinrichtung und der zweiten PiItereinrichtung hindurchgelassenen Wellenlängen über einen Bereich geändert werden, daß die Wellenlängen und die Intensität der durch die erste und zweite Filtereinrichtung hindurchtretenden Strahlung registriert werden, daß periodisch die Änderung nach nicht mehr als einem Spektralbereich der zweiten Piltereinrichtung beendet wird, daß weißes Licht durch die erste und die zweite Piltereinrichtung hindurchgeleitet wird und daß zumindest eine der Filtereinrichtungen einer Zitterbewegung unterzogen wird, während das weiße Licht hindurchtritt, um eine der Piltereinrichtungen in ihre ordnungsgemäße Abstimmung bezüglich der anderen PiItereinrichtung zurückzuführen.

9· Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Filtereinrichtung stufenweise variiert wird und daß die zweite Piltereinrichtung periodisch eingestellt wird, um das Licht der Wellenlänge hindurchzulassen, das von der ersten Piltereinrichtung bei diesen Stufen hindurchgelassen wird.

10. Verfahren zum Betrieb eines Spektralgeräts insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zum Zwecke einer derivativen Spektroskopie, dadurch gekennzeichnet, daß in Intervallen die von einer der Piltereinrichtungen hindurchgelassene Wellenlänge geändert wird, daß die von einer derartig geänderten Piltereinrichtung hindurchgelassene Wellenlänge für eine vorbestimmte Zeitdauer wesentlich konstant gehalten wird, wobei während eines Teils einer derartigen Periode weißes Lieht durch beide Piltereinrichtungen hindurchgelassen wird, und daß die geänderte Piltereinrichtung einer Zitterbewegung

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unterzogen wird, um die andere Fi lter einrichtung in Koinzidenz mit der geänderten Filtereinrichtung zu bringen, und daß während eines anderen Teils einer derartigen Periode das weiße Licht unterbrochen wird und das Ausgangssignal der zweiten Filtereinrichtung registriert wird, und daß die veränderte Filtereinrichtung während dieser anderen Zeitperiode einer Zitterbewegung unterzogen wird.

11. Verfahren zum Betrieb eines Spektralgeräts, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis ¹J, welches eine erste Filtereinrichtung mit einem akusto-optischen Filter und eine zweite Filtereinrichtung enthält, welche zumindest einen Durchlaßbereich aufweist und so angeordnet ist, daß sie das Ausgangssignal der von der ersten Filtereinrichtung kommenden Strahlen aufnimmt, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte, daß Strahlen durch die beiden FiItereinrichtungen hindurchgelassen werden, daß die beiden Filtereinrichtungen periodisch geändert worden, um die Wellenlänge der hindurchgelassenen Strahlen zu ändern, und daß in periodischen Abständen ein Strahlenbündel aus weißem Licht durch die beiden Filtereinrichtungen hindurchgelassen wird, während gleichzeitig die erste Filtereinrichtung einer Zitterbewegung unterzogen wird, um die erste Filtereinrichtung mit der zweiten Filtereinrichtung abzus timmen.

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