DE2526454A1

DE2526454A1 - Spektrometer und verfahren zur untersuchung der spektralen lichtzusammensetzung

Info

Publication number: DE2526454A1
Application number: DE19752526454
Authority: DE
Inventors: Jurij Georgijewitsch Koslow; Alexandr Iosifowitsch Lopatin
Original assignee: LE G UNI IM A A SCHDANOWA
Current assignee: LE G UNI IM A A SCHDANOWA
Priority date: 1974-06-13
Filing date: 1975-06-13
Publication date: 1976-04-08
Also published as: GB1473615A; SU495945A1; DE2526454B2; AT355343B; DE2526454C3; ATA445875A; SE403833B; US4043670A; CH596543A5; SE7506773L; JPS522484A; CA1034786A; DD118171A1

Description

Priorität vom 13» 6. 1974 UdSSR Nr. 2033027

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Geräte, insbesondere Spektrometer und Verfahren zur Untersuchung der spektralen Lichtzusammensetzung, die durch dieses Spektrometer bei der qualitativen und quantitativen Analyse durchgeführt werden.

Der Haupttyp von Spektralgeräten,· die gegenwärtig in der Spektroskopie verwendet werden, ist das Spaltspektrometer. Jedes Spektrometer besteht im Prinzip aus einem Eintrittsspalt, der sich in der Fokalebene eines Kollimators, der einen parallelen Lichtstrahl formiert, befindet, einem

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dispergierenden Element (Prisma oder Diffraktionsgitter), einem Austrittsobjektiv und einem Austrittsspalt, der in der IPokalebene des letzteren liegt und die Selektion des austretenden lichtsstromes nach den Wellenlängen gewährleistet (siehe,z.B. A.IT. ßaidel, G.V, Cstrovsky, Ju. I.
Ostrowski "Technik und Praxis der Spektroskopie", Verlag "Nauka", Moskau, 1972).

Das Auflösungsvermögen und die Lichtstärke eines solchen Spektrometers hängöareziprok von der Bpaltbreite ab:
bei Verringerung der Spaltbreite vergrößert sich das
Auflösungsvermögen, während die Lichtstärke abnimmt, und umgekehrt. Da außerdem die Spaltbreite v/egen der Diffraktioneerscheinung nicht beliebig klein gemacht werden kann, entsteht die Notwendigkeit der Anwendung von Kollimatoren großer Brennweiten zur Ausnutzung des Auflösungsvermögens des dispergierenden Elementes. Deswegen liegen die Ausmaße der Spektrometer mittlerer Klasse zwischen 1,5 ♦ 2 m, und die Geräte höherer Klassen erreichen eine Länge von 6 und mehr Metern.

Vor relativ kurzer Zeit sind zwei Typen grundsätzlich neuer spaltloser Spektrometer, die die Interferenzerscheinung ausnutzen, vorgeschlagen worden: das Pourier — Spektrometer und das Spektrometer mit selektiver Interferenz - Amplituden - Modulation (weiterhin SISAM). Die

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Anwendung dieser zwei Spektrometertypen bringt für die Spektroskopie wesentliche Vorteile: erstens kann man die Lichtstärke der Spektrometer und demzufolge auch ihre Empfindlichkeit um 2-3 Größenordnungen erhöhen; zweitens kann man um ebensoviel die Geschwindigkeit der Informationsentnahme, d.h. das Expreßvermögen der Spektralanalyse, erhöhen; und drittens kann man das theoretische Auflösungsvermögen des dispergierenden Elementes praktisch bei beliebigen Brennweiten des Eingangskollimators und des Austrittsobjektivs ausnutzen , was es im Prinzip gestattet, die Ausmaße und das Gewicht der Spektrometer um das zehn- und hundertfache zu verringern.

Das !Fourier - Spektrometer (s. z.B. J. Connes; J. Fhys. Rad. 2Ji , 645 (1960) ) stellt ein Maikelson - Interferometer mit einem verstimmbaren Spiegel dar, der sich längs der Achse des Interferometers in der Nähe der liulllage des Gangunterschiedes der interferierenden Lichtstrahlen bewegen kann. Der Hauptmangel der Fourier - Spektrometer liegt in der Notwendigkeit der maschinellen Entschlüsselung des zu registrierenden Signals. Außerdem ist er empfindlich gegenüber der Änderung der Intensität des zu registrierenden Lichtes in der Registrier ze it, das mechanische System der Verschiebung des beweglichen

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Spiegels ist recht kompliziert und empfindlich gegenüber mechanischen Störungen, und das Arbeits-Spektrel-intervall ist durch den Transparenzbereich der unterlege des halbtransparenten Spiegels begrenzt,

SISAM ist ein Zweistrahlinterferometer, dessen beide Arme dispergierende Elemente enthalten, die so angeordnet sind, daß die Interferenz nur in der Hähe einer Wellenlänge beobachtet wird.

Das Interferenzverfahren der Selektion nach Wellenlängen wird durch periodische Änderungen des Ganguntersehiedes der interferierenden Lichtstrahlen gewährleistet, Dabei wird eine Amplitudenmodulation des austretenden Lichtstrahls nur auf der interferierenden Wellenlänge beobachtet. Die Wechselkoatponente des austretenden Lichtstrahls, die durch eine Empfangs-Keßschaltung registriert wird, ist der Lichtintensität auf der interferierenden Wellenlänge proportional.

Der Hauptnachteil aller früher bekannten ßlSAH-Schemen ist, daß zur Eichung und Benutzung des Gerätes eine Abstimmung von 7 bis 12 Freiheitsgraden verschiedener Elemente der Scheuen ait Interferenzgenauigkeit gewährleistet werden isuß, d.h., die Winkel müssen mit einer Genauigkeit hoher als 1" und die Verschiebungen bis auf

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Bruchteile der Wellenlänge eingehalten werden.

Daraus folgt, daß sogar Präzisionsmuster der Geräte nur eine geringe statische und kinematische Stabilität gegen mechanische Störungen aufweisen} daß die Eichung der Geräte eine sehr komplizierte Operation darstellt; daß das Durchstiromsystem so kompliziert ist, daß die Grenzen der Durchstimmung zur Zeit einige Hundert Auflösungsintervalle übersteigen kann (für den sichtbaren Spektralbereich 10 S).

Außerdem ist der Spektralbereich der meisten SISAIi durch den Transparenzbereich der Lichtteilerspiegel begrenzt; in allen bekannten SISAM - Systemen ändern sich die Frequenz und die Phase des modulierten Signals beim Durchstimmen durch das Spektrum, d.h. sie gestatten nicht die Synchrondetektierung des Signals j die Modulationsfrequenz überschreitet nicht 100 Hz j was die Geschwindigkeit der Analyse stark begrenzt; auf Grund der Kompliziertheit der mechanischen Durchstimmsysteme besitzen die Geräte Maße und Gewichte wie Spaltspektrometer; der Preis der bekennten SISAM liegt weit höher als der Preis der Spaltgeräte.

Eines der SISAM-Systeme (s. z.B. P; Oonnes, Rev.d* Opt. J4 , 1 (1956) benutzt die Eigenschaft der Diffraktionsgitter mit symmetrischen Strichprofil, um rechte und

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linke Diffraktionsordnungen und gleicher Intensität zu geben. Diese symmetrischen Diffraktionsoronungen werden zur Erzeugung der Interferometerarme benutzt, die das SISAM- -System bilden.

Dazu wird ein System von zwei oder drei Spiegeln benutzt, die die Strahlen der symmetrischen Ordnungen so auf das Gitter zurückwerfen, daß sie nach einer zweiten Diffraktion auf dem Gitter selektiv interferieren können. Dieses Spektrometer hat alle oben genannten Mangel.

Es ist weiterhin ein SLSALi - System bekannt (zum Beispiel aus dem sowjetischen Urheberschein Nr. 127 054), welches ein Diffraktionsgitter mit symmetrischem Strichprofil, einen zusätzlichen Spiegel, dessen reflektierende Oberfläche rechtwinklig zur Oberfläche des Diffraktionsgitters gelegen ist, und zwei skanierbare Spiegel, die auf einer gemeinsamen Unterlage befestigt sind, welche sich um eine Achse drehen läßt, die durch die Kitte der Geraden geht, die die Zentren der skanierbaren Spiegel verbindet, enthält. In diesem Spektrometer fällt der zu untersuchende Lichtstrahl rechtwinklig auf das Diffr-aktionsgitter und zerlegt sich in zwei Lichtstrahlen (rechte und linke Diffraktionsordnung) mit vorgegebener Wellenlänge. Der eine kehrt zum Diffraktionsgitter zurück, indem er autokollimativ von einem der durchstimmbar en Spiegel reflektiert wird, der

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andere kehrt zum Gitter zurück, indem er erst vom zusätzlichen Spiegel, dann autokollimativ vom zweiten durchstiambaren Spiegel und wieder vom zusätzlichen Spiegel reflektiert wird. Mach der Rückkehr werden beide Strahlen la eine Richtung gebrochen und interferieren. Zur Modulation des Austrittslichtstrahles wird die Vor- und Rückwärtsbewegung des Zusatzspiegels ausgenutzt. Die skanierbaren Spiegel sind so angeordnet, daß die Strahlen, die' durch das Gitterzentrum verlaufen, einen Null-Gangunterschied besitzen.

Dieses Spektrometer hat alle oben genannten Mängel. Außerdem wird die Qualität der beschriebenen Konstruktion durch eine erhebliche Geschwind^; "keit der Änderung der Interferenzordnung beim Durchstiminen durch das Spektrum und Vignettieren der Lichtstrahlen verringert.

Ee wurde auch ein Verfahren zur Untersuchung der spektralen LichtzusajBBensetzung vorgeschlagen, welches durch das oben beschriebene Spektrometer durchgeführt wird und in der Interferenz zweier doppelter Diffraktion ausgesetzter licht strahlen besteht, die an reflektierenden Oberflachen gespiegelt werden, wobei sich die Anzahl der Reflexionen im ersten und zweiten Strahl um zwei unterscheidet, d.h. einer der Strahlen kehrt zum Diffraktionsgitter

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nach einer Reflexion zurück, der andere nach drei (SU-PS 127 054).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Spektrometer (SISAM) anzugeben, welches ein skanierendes Mittel besitzt, das ein einfaches Durchstimmen durch das Spektrum, eine stabile Modulation, eine hohe Störunanfälligkeit, kleine Maße und Gewicht, die Möglichkeit der Änderung des Auflösungsvermögens, eine für das verwendete Dispersionselement maximale Lichtstärke gewährleistet, und welches die Ausarbeitung eines Verfahrens zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes, das durch das oben genannte Spektrometer durchgeführt wird und eine Verringerung der Quermaße des Spektrometers gestattet .

Dies wird dadurch erreicht, daß in dem Spektrometer (SISAM), in dem der zu untersuchende kollimierte Lichtstrahl auf ein Diffraktionsgitter mit symmetrischem Strichprofil fällt, in zwei Strahlen mit vorgegebener Wellenlänge, die den rechten und linken DiffraktionsOrdnungen entsprechen, zerlegt wird, wobei einer der Strahlen zum Diffraktionsgitter zurückkehrt, nachdem er vom ersten skanierbaren Spiegel reflektiert wurde, und der andere Strahl zum selben Diffraktionsgitter zurückkehrt, nachdem er der Reihe nach vom zusätzlichen Spiegel, vom zweiten skanierbaren Spiegel und wieder

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zum zusätzlichen Spiegel reflektiert wurde, und beide Strahlen nach der Rückkehr in einer Richtung diffragieren, interferieren und mit einem Registriermittel registriert werden, nach dessen Angaben man auf die Spektralzusammensetzung des zu untersuchenden Lichtstrahls schließt. Gemäß der Erfindung ist der zusätzliche Spiegel gegenüber dem Diffraktionsgitter so angeordnet, daß seine reflektierende Oberfläche parallel zu den Strichen des Diffraktionsgitters liegt, und der erste und der zweite skanierbare Spiegel sind als einheitlicher skanierbarer Spiegel ausgeführt und ihre reflektierenden .Oberflächen liegen so in einer Ebene , daß beide Lichtstrahlen völlig von der reflektierenden Oberfläche des einheitlichen skanierbaren Spiegels reflektiert werden.

IJm eine Änderung des Auflösungsvermögens des SISAM zu ermöglichen , ist es zweckmäßig, einen zusätzlichen Spiegel mit der Möglichkeit einer geradlinigen Bewegung relativ des Diffraktionsgitters aufzustellen.

Zur Realisierung der maximalen (für das zu benutzende dispergierende Element) Lichtstärke ist es angebracht, den zusätzlichen Spiegel in direkter Nähe des Diffraktionsgitters aufzustellen·

Zur Verringerung des Vignettierens der Lichtstrahlen kann man die Drehachse des einheitlichen verstimmbaren

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Spiegels parallel zu den Strichen des Gitters anordnen.

Zur Verringerung des Vignettierens der Lichtstrahlen ist es außerdem wünschenswert, die Drehachse des einheitlichen verstimmbaren Spiegels in der Schnittlinie der Ebene, in der die reflektierende Oberfläche des zusätzlichen Spiegels liegt, mit der Ebene, in welcher die Arbeitsfläche des Diffraktionsgitters liegt, anzuordnen.

Die vorliegende Erfindung schlägt weiterhin ein Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes vor, welches mit dem oben genannten Spektrometer durchgeführt werden kann und in der Interferenz zweier doppelt diffragierter Lichtstrahl en besteht, die Spiegelungen von zwei reflektierenden Flächen erfahren, wobei die Zahl der der Reflexionen des ersten und des zweiten Strahles um zwei verschieden ist, und wobei, entsprechend der Erfindung, die Interferenz von Lichtstrahlen angewendet wird, die (2n + 1) und (2n + 3) Reflexionen erfahren haben, wobei η Zahlen der natürlichen Reihe sind.

Das SISÄM-System, das das erfindungsgemäße Prinzip verwirklicht, hat eine hohe Standfestigkeit gegenüber mechanischen Störungen, ein einfaches Durchstimmittel und als Polge davon kleine Maße und ein geringes Gewicht.

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Anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert. Ss zeigen

Fig. 1 das gesamte Schema eines erfindungsgemäßen Spektrometers (SISAM), welches das bekannte Verfahren und das Verfahren der erfindungsgemäßen Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes darstellt;

Fig. 2 das optische Schema des Spektrometers der Fig. 1;

Fig. 3 die Darstellung einiger optischer Elemente des Spektrometers (Fig. 1) und den Strahlengang des Lichtes für das bekannte Verfahren und für das Verfahren der Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes, welches durch das erfindungsgemäße Spektrometer durchgeführt wird;

Fig. 4 den Strahlengang im Spektrometer (Fig. 1)

in der parallel zu den Strichen des Diffraktionsgitters gelegenen Ebene;

Fig. 5 eine der Ausführungsvarianten des Zusatzspiegels (Längsschnitt) und teilweise das ' Diffraktionsgitter; und

Fig. 6· das optische Schema einer anderen Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Spektrometers .

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Das Spektrometer mit selektiver Interferenz-Amplituden-Modulation (SISAM), mit dem das bekannte Verfahren und das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes durchgeführt wird, enthält eine Eintrittsapertur 1 (Fig. 1), die sich im Gehäuse 2 befindet und in der Fokalebene und auf der optischen Achse eines kollimierenden Mittels in Form einer Linse 3 liegt, die in einer Fassung 4 befestigt ist.

Zwischen der Linse 3 und der Eintrittsapertur 1 befindet sich ein halbtransparenter Spiegel 5, der in einer Fassung 6 befestigt und unter einem Winkel von 45° zur optischen Achse der Linse 3 angeordnet ist. Ein im Gehäuse 2 angebrachtes flaches Diffraktionsgitter 7 mit einem symmetrischen Strichprofil 8, welches die Arbeitsfläche des Gitters bildet, ist unbeweglich auf der Basis befestigt.

Auf derselben Basis 9 ist in unmittelbarer Nähe vom Diffraktionsgitter 7 ein zusätzlicher Spiegel 10 unbeweglich angebracht, welcher einen piezokeramischen Kondensator mit Beschichtungen 11 und 12 darstellt, wobei die Beschichtung 11 die reflektierende Oberfläche (weiterhin die reflektierende Fläche 11) des zusätzlichen Spiegels 10 ist. Beide Beschichtungen 11 und 12 sind mittels elektrischer Leiter, die durch das Gehäuse 2 mittels Isolatoren 14 gelegt sind, an einen Generator 13

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angeschlossen, was in dem Buch "Spravotschnik Radioljubitelja Konstruktora" unter der Redaktion yon R.M. Malinin, Verlag "Energie", Moskau 1973, beschrieben ist.

Der Zusatzspiegel 10 ist bezüglich des Diffraktionsgitters 7 so angeordnet, daß seine Reflexionsfläche parallel zu den Strichen 8 des Diffraktionsgitters 7, und im Winkel von 90° zur Arbeitsfläche des Diffraktionsgitters 7 liegt, wobei die optische Achse der Linse 3 durch das Zentrum des Gitters 7 verläuft.

Ein ebenso im Gehäuse 2 untergebrachter einheitlicher (gemeinsamer) ganzer skanierbarer Speigel 15 mit einer Reflexionsfläche 16 ist unbeweglich auf einer Basis 17 befestigt, die mittels einer in einer Mutter 20 geführten Schraube 19 um eine Achse 18 drehbar ist. Die Basis 17 wird mit Hilfe einer Feder 21 fixiert.

Die Drehachse 18 (Fig. 2) des einheitlichen skanierbaren Spiegels 15 ist parallel zu den Strichen 8 des Diffraktionsgitters 7 angeordnet.

Die Austrittsapertur 22 (Fig. 1) ist im Gehäuse bezüglich des Spiegels 5 symmetrisch zur Eintrittsapertur 1 angeordnet. Hinter der Austrittsapertur 22, in der Fokalebene der Linse 3, befindet sich eine Registriereinrichtung 23, welche einen in Reihe geschalteten Strahlungsempfänger 24 (z.B. Fotovervielfacher, der im Buch von A.N. Saude1, G.V. Ostrowskaja, Ju. I Ostrowski "Technika und Praktika Spektroskopie, Verlag "Nauka",

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Moskau, 1972, beschrieben ist), einen selektiven Verstärker und ein Registriergerät 26, z.B. einen Oszillographen, enthält.

Als Modulationseinrichtung dient in der zu beschreibenden Ausführungsvariante des Spektrographen der Zusatzspiegel 10, und der halbtransparente Spiegel 5 (Fig. 2) dient als Einrichtung zur Trennung des zu untersuchenden eintretenden und austretenden Lichtstrahles 27 bzw. 28.

Mit der oben beschriebenen SISAM-Konstruktion kann man sowohl das bekannte Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes (a) gemäß der SU-PS 127 O54, als auch das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes (b) durchführen, das im folgenden beschrieben wird.

Zur Durchführung des Verfahrens (a) mittels des Spektrometers fällt erfindungsgemäß der zu untersuchende Eintritts lichtstrahl 27, indem er die Eintrittsapertur 1, den halbtransparenten Spiegel 5 und die Linse 3 passiert, auf das Diffraktionsgitter 7 und diffragiert in der rechten und linken Diffraktionsordnung zu zwei Lichtstrahlen 29 und 30 mit einer gegebenen Wellenlänge.

Die Lichtstrahlen 29 und 30 gelangen auf das. Diffraktionsgitter 7 zurück; der Strahl 29 nach Spiegelung an der Reflexionsfläche 16 des für beide Strahlen gemeinsamen einheitlichen skanierbaren Spiegels 15, und der Licht-

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strahl 30 nach einer aufeinanderfolgenden Spiegelung an der Reflexionsfläche 11 des zusätzlichen Spiegels 10, an der Reflexionsfläche 16 des skanierbaren Spiegels 15 und wieder an der Fläche 11.

Nach der Rückkehr diffragieren beide Strahlen in einer Richtung in Form des zu untersuchenden Austrittslichtbündels 28, sie interferieren miteinander, passieren die Linse 3» werden vom Spiegel 5 reflektiert, passieren die Austrittsapertur 22 und werden mit der Registriereinrichtung 23 registriert (Fig. 1), nach deren Angaben auf die Spektralzusammensetzung des zu untersuchenden Lichtes geschlossen wird.

Der zusätzliche Spiegel 10, der auch als Modulationseinrichtung dient, ändert periodisch den Gangunterschied der interferierenden Lichtstrahlen 29 und 30 (Fig. 2).

Zur Durchführung des Verfahrens (b) mit dem Spektrometer fällt erfindungsgemäß der zu untersuchende Eintrittslichtstrahl 27, indem er die Eintrittsapertur 1 (Fig. 1), den halbtransparenten Spiegel 5 und die Linse 3 passiert, auf das Diffraktionsgitter und diffregiert in der rechten und linken Diffraktionsordnung zu zwei Lichtstrahlen 31 und 32 (Fig. 3) mit einer gegebenen Wellenlänge (in der Zeichnung sind die Lichtstrahlen nach Verfahren (a) als Linie, die Lichtstrahlen nach Verfahren (b) gestrichelt eingezeichnet).

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Die zwei diffregierten Lichtstrahlen 31 und 32 kehren zum Diffraktionsgitter 7 zurück (Fig. 1), wobei sie eine Reflexion von den zwei Reflexionsflächen 11 und 16 (Fig. 3) erfahren, wobei die Zahl der Spiegelungen des ersten und des zweiten Lichtstrahles 31 und 32 sich um zwei unterscheidet.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Interferenz der Lichtstrahlen 31 und 32 ausgenutzt, die (2n +1) und (2n + 3) Reflexionen erfahren, wobei η eine Zahl der natürlichen Zahlenreihe, und im gegebenen konkreten Beispiel η = 1 ist; die Zahl der Reflexionen ist entsprechend für den Lichtstrahl 31 gleich 3 und für den Lichtstrahl 32 gleich 5. So kehrt der Strahl 31 zum Diffraktionsgitter 7 zurück, indem er der Reihe nach von der Reflexionsfläche 16 des für beide Lichtstrahlen gemeinsamen einheitlichen skanierbaren Spiegels 15, von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegels 10 und wiederum von der Reflexionsfläche 16 des skanierbaren Spiegels 15 reflektiert wird, und der Strahl 32 kehrt auf dasselbe Diffraktionsgitter 7 zurück, indem er der Reihe nach von der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegels 10, von der Reflexionsfläche 16 des skanierbaren Spiegels 15, von der Reflexionsfläche 11, von der Reflexionsfläche 16 und wiederum von der Reflexionsfläche 16 und wiederum von der Reflexionsfläche 11 gespiegelt wird. Nach der Rückkehr diffragieren beide Lichtstrahlen 31 und 32 in einer Rich-

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tung in Form des zu untersuchenden Austrittslichtstrahles 28, interferieren untereinander, passieren die Linse 3 (Fig. 1), werden von Spiegel 5 reflektiert, passieren die Ausgangsapertur 22 und werden von der Registriereinrichtung 23 registriert, nach deren Angaben auf die Spektralzusammensetzung des zu untersuchenden Lichtes geschlossen wird.

Durch die Begrenzung der Maße des einheitlichen skanierbaren Spiegels 15 kann man entweder die bekannte Methode (a) zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes verwirklichen, oder die erfindungsgemäße Methode (b). Die Durchführung des Verfahrens, nämlich die erfindungsgemäße Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichts erlaubt es, den Abstand zwischen dem Zusatzspiegel 10 und dem einheitlichen skanierbaren Spiegel und damit auch die Querabmessungen des Spektrometers zu verringern.

Bei der oben beschriebenen erfindungsgemäßen Ausftihrungsform des Spektrometers (SISAM) ist die Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegels 10 (Fig. 1) unter einem Winkel von 90° zur Arbeitsfläche des Diffraktionsgitters angebracht. Die Erfindung erlaubt jedoch mit Erfolg jeden beliebigen, von 90° verschiedenen anderen Winkel.

Im Spektrometer ist erfindungsgemäß das Diffraktionsgitter 7 (Fig. 4) so angebracht, daß der Lichtstrahl 33 der nullten Diffraktionsordnung nicht in die

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Austrittsapertur 22 fällt.

In der anderen erfindungsgemäßen Ausführungsform des SISAM ist ein Zusatzspiegel 34 (Fig. 5) auf einer Basis 35 so befestigt, daß eine Möglichkeit der geradlinigen Bewegung in einer Halterung 36 mit Hilfe der Schraube 37 relativ zu einem Diffraktionsgitter 38 besteht .

Die Halterung 36 ist an einer gemeinsamen Basis 39 die Schraube 37 an einem Anschlag 40 der Basis 39 befestigt .

Die Reflexionsfläche 41 des Zusatzspiegels 34 ist parallel zu Strichen 42 des Diffraktionsgitters 38 angebracht, das auf einer Basis 43 angebracht ist, die ihrer seits auf der gemeinsamen Basis 39 befestigt ist.

In allen oben beschriebenen Ausführungsvarianten des Spektrometers ist erfindungsgemäß die Drehachse des einheitlichen skanierbaren Spiegels parallel zu den Stri chen des Diffraktionsgitters angeordnet. Es ist jedoch eine Ausführungsvariante des Spektrometers möglich, bei der sich die Drehachse 44 (Fig. 6) des einheitlichen skanierbaren Spiegels 45 auf der Schnittlinie 46 der Ebene 47, in der die Reflexionsfläche 48 des Zusatzspiegels 49 liegt, mit der Ebene 50, in welcher die Arbeitsfläche des Diffraktionsgitters 51 liegt, die durch die Striche 52 dieses Gitters 51 gebildet wird, befindet.

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In dieser Figur ist durch das Bezugszeichen 53 die Reflexionsfläche des einheitlichen skanierbaren Spiegels 45, land durch das Bezugszeichen 54 die Beschichtung des Zusatzspiegels 49 bezeichnet; die anderen Bezugszeichen entsprechen Figur 2.

Das Arbeitsprinzip des erfindungsgemäßen Spektrometers (SISAM), mit dem ein bekanntes Verfahren und das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes durchgeführt werden kann, besteht in folgendem:

Der zu untersuchende Lichtstrahl 27 (Fig. 2 und 3) breitet sich nach wiederholter Diffraktion in Richtungen aus, die durch den Strichabstand 8 des Diffraktionsgitters bestimmt werden. Dabei diffregieren die Lichtstrahlen 29 und 30, aber auch die Lichtstrahlen 31 und 32 (Fig. 3) mit einer gegebenen Wellenlänge in einer Richtung. Das bedeutet, daß die Abbildungen aller Punkte der Eintritts ar-^- tur 1 (Fig. 1), die durch die Strahlen 29 und 30, und auch durch die Starahlen 31 und 32 (Fig. 3) mit einer gegebenen Wellenlänge gebildet werden, in der Austrittsapertur 22 (Fig. 1) zusammenfallen.

Für Licht anderer Wellenlängen fallen die entsprechenden Punkte der Apertur 1 nicht zusammen. Das bedeutet, daß die Interferenz in der Austrittsapertur 22 selektiv auf der angegebenen Wellenlänge vor sich geht. Bei der periodischen Änderung des Gangunterschiedes der interferie-

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renden Lichtstrahlen, welche mittels einer Vor-Rückwärtsbewegung der Reflexionsfläche 11 des Zusatzspiegels 10 beim Anlegen einer Spannung vom Generator 13 an denselben erzeugt wird, ändert sich die Intensität des austretenden Lichtstrahls 28 (Fig. 2 und 3) auf der gegebenen Wellenlänge periodisch. Die Strahlen des zu untersuchenden Lichts mit Wellenlängen, die nahe der gegebenen sind, passieren auch die Austrittsapertur 22 (Fig. 1), aber ihre Intensität ist nicht moduliert. Der zu untersuchende Lichtstrom, der vom Empfänger 24 der Registriereinrichtung 23 registriert wird, enthält eine Wechselkomponente, die vom Licht der gegebenen Wellenlänge gebildet wird, und eine konstante Komponente, die vom Licht anderer Wellenlänge, die ebenfalls die Austrittsapertur 22 passieren, gebildet wird. Die Wechselkomponente, die abgetrennt, durch den selektiven Verstärker 25 verstärkt und durch das Registriergerät 26 registriert wird, ist der Intensität des Lichtes nur auf der gegebenen Wellenlänge proportional; nach ihr wird auch auf die Spektralzusammensetzung des zu untersuchenden Lichtes geschlossen.

Bei der Drehung des einheitlichen skanierbaren Spiegels 15 um die Achse 18 kommt es zur Durchstimmung durch das Spektrum. Weil die Lichtstrahlen 29 und 30 (Fig. 2) und 31 und 32 (Fig. 3) parallel zueinander sind, und von einem gemeinsamen skanierbaren Spiegel 15 (Fig. 1) gleichermaßen reflektiert werden, ändert sich die Interferenz-

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Ordnung der angeführten Lichtstrahlen bei einer geradlinigen Bewegung des skanierbaren Spiegels 13 nicht, und eine beliebige Drehung des einheitlichen Spiegels 15 ruft nur ein Durdistimmen durch das Spektrum oder eine Verschiebung des zu untersuchenden Austrittsstrahles 28 (Fig. 2 und 3) in der Ebene der Austrittsapertur 22 (Fig. 1) hervor. Das bedeutet, daß die Drehachse des einheitlichen skanierbaren Spiegels 15 grundsätzlich beliebig im Raum angeordnet sein kann, und die Interferenzordnung wird nur durch das mechanisch feste System Diffraktionsgitter 7 - Zusatzspiegel 10 bestimmt.

Die Frequenz und die Modulationsphase hängen bei der zu beschreibenden erfindungsgemäßen SISAM-Konstruktion nicht von der Wellenlänge der interferierenden Strahlen 29 und 30 (Fig. 2) und auch 31 und 32 (Fig. 3) ab, da eine Verschiebung der Reflexionsfläche 11 (Fig. 1) des Zusatzspiegels 10 auf eine Entfernung von einem Viertel des Abstandes zwischen den Strichen zu einer Veränderung des Gangunterschiedes der interferierenden Strahlen um eine halbe Wellenlänge in jedem Punkt des durchstimmbaren Spektralbereichs führt. Das gestattet es, Methoden der Synchrondetektierung des zu registrierenden Signals anzuwenden.

Das Auflösungsvermögen des erfindungsgemäßen SISAM ist nicht geringer als das Vierfache des theoretischen Auflösungsvermögens des verwendeten Diffraktionsgitters 7,

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da zum Diffraktionsgangunterschied der Lichtstrahlen 29 und 30, 31 und 32 (Fig. 3) der geometrische Gangunterschied, der sich aus dem Abstand zwischen dem Diffraktionsgitter 7 und dem Zusatzspiegel 10 bestimmt, kommt, wobei die Vergrößerung des Abstandes das Auflösungsvermögen erhöht und die Lichtstärke verringert wird. Deswegen ist es zum Erreichen einer maximalen Lichtstärke vorteilhaft, den Zusatzspiegel 10 (Fig. 1) in unmittelbarer Nähe vom Diffraktionsgitter 7 anzubringen, d.h. mit minimalem Abstand.

Außerdem gestattet das, bei Anbringung eines zusätzlichen geradlinig beweglichen Spiegels 34 (Fig. 5) , ein erfindungsgemäßes Spektrometer mit regulierbarem Auflösungsvermögen zu erhalten. Wenn die Drehachse des einheitlichen skanierbaren Spiegels beliebig angeordnet ist, dann bewegen sich beim Durchstimmen die Lichtstrahlen, die vom Spiegel reflektiert werden, auf seiner Reflexionsfläche.

Weil die Drehachse 18 (Fig. 2), wie oben beschrieben, parallel zu den Strichen 8 des Diffraktionsgitters gelagert ist, verringert sich die Verschiebung der Lichtstrahlen 29 und 30 und der Lichtstrahlen 31 und 32 (Fig. 3) auf der Reflexionsfläche des einheitlichen skanierbaren Spiegels 15 (Fig. 2) parallel zu den Strichen 8 des Diffraktionsgitters 7.

Bei dem erfindungsgemäßen SISAM-System der Fig. 5 ist die Verschiebung der Lichtstrahlen 29 und 30 auf der Reflexionsfläche 53 des gemeinsamen skanierbaren Spiegels mini-

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Das erfindungsgemäße SISAM-System, mit dem ein bekanntes Verfahren und das erfindungsgemäße Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes durchgeführt werden können, hat eine hohe mechanische Störunanfälligkeit, da die Qualität der Interferenz durch das mechanisch feste System aus Diffraktionsgitter und Zusatzspiegel bestimmt wird, in welchem nur die Parallelität der Reflexionsfläche des Zusatzspiegels zu den Strichen des Diffraktionsgitters mit Interferenzgenauigkeit erforderlich ist, und das Durchstimmsystem in Form eines einheitlichen skanierbaren Spiegels, der um eine beliebige Achse drehbar aufgestellt werden kann, ist in seiner Einfachheit einmalig unter allen bekannten SISAM-Systemen.

Die Einfachheit des Durchstimmsystems und die Störunanfälligkeit gestatten es, Geräte mit bedeutend geringeren Maßen, Gewichten und Preisen zu konstruieren, als die bekannten SISAM-Systeme oder Spaltspektrometer.

Die Unabhängigkeit der Frequenz und der Modulationsphase von der Wellenlänge des Lichts gestattet bei der Registrierung die Anwendung von Methoden der Synchronerfas-

4 sung, welche das Signal-Rausch-Verhältnis um mehr als 10 anheben, und außerdem gestattet sie die Vergrößerung der Modulationsfrequenz bis auf Hunderte Kilohertz.

Außerdem kann das erfindungsgemäße SISAM-System aus das Licht nur reflektierenden Elementen hergestellt werden, welche in jedem Spektralbereich anwendbar sind. 609815/0810

Claims

Patentansprüche

1.!Spektrometer mit selektiver Interferenz-Amplituden-Modulation, in welchem ein zu untersuchender Lichtstrahl auf ein Diffraktionsgitter mit symmetrischem Strichprofil fällt, in der rechten und linken Ordnung in zwei Lichtstrahlen mit gegebener Wellenlänge diffragiert, wobei einer von ihnen auf das Diffraktionsgitter zurückkehrt; nachdem er vom ersten skanierbaren Spiegel reflektiert wurde, und der andere auf dasselbe Diffraktionsgitter zurückkehrt, nachdem er der Reihe nach vom Zusatzspiegel, vom zweiten skanierbaren Spiegel und wieder vom Zusatzspiegel reflektiert wurde, und beide Strahlen nach ihrer Rückkehr in einer Richtung diffragieren, untereinander interferieren und mittels einer Registriereinrichtung registriert werden, nach deren Angaben auf die Spektralzusammensetzling des zu untersuchenden Lichtstrahls geschlossen wird, dadurch gekennzeich net, daß ein zusätzlicher Spiegel (10) so angebracht ist, daß seine Reflexionsfläche (11) parallel zu den Strichen (8) des Diffraktionsgitters (7) gelegen ist und der erste und der zweite skanierbare Spiegel als ein ganzer skanierbarer Spiegel (15) ausgeführt ist, und ihre Reflexionsflächen so in einer Ebene liegen, daß die Strah-

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len (29 und 30) ganz von der Reflexionsfläche (16) des einheitlichen skanierbaren Spiegels (15) reflektiert werden.

2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zusatzspiegel (34) bezüglich des Diffraktionsgitters (38) geradlinig verschiebbar ist.

3. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Zusatzspiegel (10) in unmittelbarer Nahe des Diffraktionsgitters (7) angeordnet ist.

4. Spektrometer nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (18) des einheitlichen skanierbaren Spiegels (15) parallel zu den Strichen (8) des Diffraktionsgitters (7) gelegen ist.

5. Spektrometer nach Anspruch 4, dadurch gekennze i chnet, daß sich die Drehachse (44) des einheitlichen skanierbaren Spiegels (45) auf der Schnittlinie (46) der Ebene (47), in welcher die Reflexionsfläche (48) des Zusatzspiegels (49) liegt, mit der Ebene (50), in welcher die Arbeitsfläche des Diffraktionsgitters (51) liegt, befindet.

6. Verfahren zur Untersuchung der Spektralzusammensetzung des Lichtes, welches mit dem Spektrometer nach Anspruch 1 durchführbar ist, und bei dem die Interferenz

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zweier doppelt diffregierter Lichtstrahlen gebildet wird, die von reflektierenden Flächen gespiegelt werden, wobei sich die Zahl der Reflexionen des ersten und zweiten Strahles um zwei unterscheidet, dadurch gekennzeichnet , daß die Interferenz der Lichtstrahlen (31 und 32) genutzt wird, welche (2n +1) und (2n + 3) Reflexionen erfahren, wobei η eine Zahl der natürlichen Zahlenreihe ist.

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