DE2522942A1 - Spektralgeraet - Google Patents
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DIPL -PHYS. F. ENDLICH D-eo34 unterpfaffenhofen 20.5-1975
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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-Perotfsehen
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
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 =
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:
Die Verwendung von zwei oder mehreren TOF im optischen Strahlengang
liefert eine Filterkurve, die durch folgende Formel wiedergegeben wird:
(-vo +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 ~VQ, der
abgestimmten Mittelfrequenz aufgetragen ist.
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
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-
509850/0316
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
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.
509850/0318
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 (11)
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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