DE2727265A1

DE2727265A1 - Optische mikroskop-laser-mikrosonde fuer raman-spektroskopie

Info

Publication number: DE2727265A1
Application number: DE19772727265
Authority: DE
Inventors: Michel Marcel Prof Delhaye; Paul Andre Dhamelincourt; Edouard Francis Da Silva
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1976-07-02
Filing date: 1977-06-16
Publication date: 1978-01-05
Also published as: FR2356931A1; JPS5347892A; GB1577198A; FR2356931B1; JPS581151U; US4195930A

Description

ΡΛΤ E N'"ANY/ALT

DR. HANG ULRICH MAY D β MÖNCHEN 22. THIERSCHSTRASSE 27 TELEORAMME: MAVPATENT MDNCHEN TELEX βΖ4Ί»:7 PATOP TELEFON COHOJ 22 6Ο61 A-1 6-P-3/1 523 München, 16. Juni 1977

Dos. 77.641 DB/1611 Dr.M/hs

Agence Nationale de Valorisation de la Recherche (ANVAR)

in Paris, Frankreich

Optische Mikroskop-Laser-Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie

Die Erfindung betrifft eine optische Mikroskop-Laser-Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie zur zerstörungsfreien Analyse von Proben, besonders heterogenen Proben, mit Hilfe einer von der Oberfläche der Probe rückgestrahlten Strahlung.

Eine solche Vorrichtung ist in der FR-PS 2 253 410 beschrieben. Mit Hilfe dieser bekannten Vorrichtung kann man eine mikrographische Abbildung erhalten, welche die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Meßsubstanz (Spezies) liefert, gleich ob es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein Ion handelt, wobei die Karte durch Isolieren einer charakteristischen Strahlung dieser Meßsubstanz im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum erhalten wird.

Die Erfinder haben seitdem verschiedene Methoden untersucht,die mit Hilfe des RAMAN-Effekts Informationen über eine Probe liefern können. Je nach der Art der durchzuführenden Untersuchung kann man eines der folgenden Ergebnisse erhalten:

die oben definierte mikrographische Abbildung, bei der alle Punkte der Probe gleichzeitig beleuchtet sind; die oben definierte mikrographische Abbildung, wobei die Punkte der Probe nacheinander beleuchtet werden;

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Das Intensitätsprofil dieser RAMAN-Strahlung längs einer Geraden oder einer gewählten Kurve in dieser Abbildung, wobei das Profil durch Vergleich mit Eichwerten eine qualitative und quantitative Analyse der gewünschten Spezies (Meßsubstanz) ermöglicht.

Diese Methoden wurden von den Erfindern in verschiedenen Veröffentlichungen beschrieben, darunter folgende, die beim 18.Internationalen Spektroskopie-Colloquium in Grenoble im September 1975 vorgetragen wurden mit dem Titel "Microsonde et Microscope ä effet RAMAN¹¹, Seiten 458 bis 463. Diese Veröffentlichung hat einen allgemeinen Charakter und beschreibt zwei Prinzipien der Mikrosonde, die in der erwähnten Fk-PS 2 253 410 beschrieben sind. Ferner gehört hierzu der Artikel mit dem Titel "RAMAN-microprobe and microscope with Laser excitation¹¹, in Journal de Spectroscopie RAMAN 1975 3.33-43, veröffentlicht von Reidel Publishing Company, Dordrecht, Holland. In diesem Artikel gibt der Autor in ganz allgemeiner Form, mit Hilfe von Blockdiagrammen, Erläuterungen von verschiedenen Arbeitsweisen des Gerätes.

Jedoch existiert bisher kein Gerät zur Durchführung der oben; erwähnten drei Methoden. Außerdem kann es bei der Untersuchung einer Probe nützlich sein, die Art eines ihrer Bestandteile so wie bei der üblichen RAMAN-Spektroskopie zu bestimmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einzige Vorrichtung zu schaffen» die bewegliche optische Elemente aufweist, mit denen man je nach ihrer Stellung entweder a) eine mikrographische Abbildung, welche die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Spezies (Meßsubstanz), bei der es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein lon handeln kann, liefert, wobei diese Karte erhalten wird, indem man eine für diese Spezies charakteristische, im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum ausgewählte Strahlung isoliert, wobei alle Punkte der Probe gleichzeitig beleuchtet werden, oder

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b) eine mikrographische Abbilcung, welche die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Spezies, gleich ob es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein Ion handelt, liefert, die durch Isolieren einer für diese Spezies charakteristischen, im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum ausgewählten Strahlung erhalten wird, wobei die Punkte der Probe nacheinander beleuchtet werden, oder

c) eine mikrographische Abbildung, welche die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Spezies, gleich ob es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein Ion handelt, liefert, die durch Isolieren einer charakteristischen Strahlung dieser gewählten Spezies im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum erhalten wurde, wobei die Punkte der Probe gleichzeitig längs einer Geraden oder einer ausgewählten Kurve in dieser Abbildung beleuchtet werden, oder

d) das Intensitätsprofil dieser RAMAN-Strahlung längs einer in dieser Abbildung gewählten Geraden oder Kurve, das durch Vergleich mit Eichwerten eine qualitative und quantitative Analyse der betrachteten Spezies ermöglicht, oder

e) RAMAN-Spektren von nach Wahl des Benutzers in der Abbildung der Probe ausgewählten sehr kleinen örtlichen Bereichen erhalten kann,

sowie ferner eine Detektorvorrichtung für das ausgewählte Licht vom Typ Ein-Kanal-Detektor, besonders Sekundärelektronenvervielfacher, und vom Typ Mehr-Kanal-Detektor, insbesondere Bildverstärker, aufweist.

Genauer gesagt sind die beweglichen Elemente:

- ein Teil eines Kondensors des Beleuchtungssystems der Probe oder dieser ganze Kondensor;

- ein Teil der zwischen dem Mikroskop und der Vorrichtung zur Auswahl der Wellenlänge angeordneten Übertragungsoptik oder diese ganze Optik;

- ein Teil einer zwischen der Vorrichtung zur Auswahl der Wellenlänge und der Detektorvorrichtung angeordneten Übertragungsoptik, oder diese ganze Optik;

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— ein Spiegel» wodurch das gewählte Licht entweder auf einen Sekundärelektronenvervielfacher (photo-multiplier)oder eine Bildverstärkerröhre gerichtet werden kann.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist weiter gekennzeichnet durch folgende Kombination:

a) eine gepulste oder kontinuierliche Laser-Strahlenquelle;

b) eine optische Vorrichtung, die mehrere Beleuchtungsarten des Objekt, ob global» über eine Linie oder an einem Punkt, ermöglicht;

c) ein Mikroskop, das eine vergrößerte Abbildung des Objekts

mit mehreren Beobachtungsmöglichkeiten liefert, ob auf dunklem Grund oder auf hellem Grund, durch Reflexion oder durch Durchleuchtung ;

d) eine Übertragungsoptik, die diese Abbildung in Abhängigkeit von der vorgenommenen Untersuchung durch Verschiebungen der beweglichen optischen Elemente umwandelt, entweder auf den Eintrittsspalt des Monochromators oder auf das Gitter des Monochromators;

e) einen additiven Monochromator, mindestens einen Doppel-Monochromator, der mit mindestens zwei konkaven holographischen Gittern ausgerüstet ist, deren Oberflächen durch eine in der Höhe des Zwischenspalts angeordnete geeignete Optik konjugiert sind;

f) eine Austrittsoptik, die durch Verschiebung der beweglichen optischen Elemente entweder die Abbildung der Oberfläche des zweiten Gitters oder die Abbildung des Austrittsspalts des Monochromators auf der Photokathode einer Bildverstärkerröhre bildet;

g) eine Detektorelektronik, die Photo-multiplier, eine Bildverstärkerröhre und eine elektronische oder photographische Kamera aufweist, welche die Sichtbarmachung der Abbildung des Objekts oder das Registrieren der Intensitätsprofile ermöglicht.

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In bestimmten Fällen ist es vcti Vorteil, eine gepulste Laser-Strahlenquelle und einen Mehrkanal-Detektor in Form einer Bildverstärkerröhre zu verwenden.

Die Vorrichtung zur Auswahl der Wellenlänge des wieder ausgesagten Lichts ermöglicht zum einen, die charakteristische RAMAN—Strahlung zu isolieren^und zum anderen^die ohne Verände-· rung der Wellenlänge gestreute Laser-Strahlung mit einem Schwä— chungsmaß von mindestens 10*" zu beseitigen.

Um eine bestimmte Wellenlänge des wieder ausgesandten Lichts auszuwählen, verwendet man einen additiven Monochromator, mindestens einen Doppel-Monochromator, der mit zwei konkaven holographischen Gittern ausgerüstet ist, deren Oberflächen mittels einer in der Höhe des Zwischenspalts angeordneten geeigneten Optik konjugiert sind.

In einem ersten Fall kann man annehmen, daß die Projektion der Zwischenbilder der Probe nacheinander auf den beiden Gittern erfolgt, und daß die Endabbildung auf dem photoelektrischen Mehrkanalempfänger ausgebildet wird, wobei die Eintrittspupille des Mikroskops mit den Spalten konjugiert ist.

In einem zweiten Fall kann man vorsehen, daß die Projektion der Zwischenbilder der Probe auf den Spalten erfolgt, wobei die Eintrittspupille mit den beiden Gittern konjugiert ist.

Um das Specie -Rauschen auszuschalten, ist eine Laserstrahl-Probenbeleuchtungsvorrichtung vorgesehen, wobei der von der Laser-Quelle kommende fixe eintretende Laserstrahl auf einen geneigten ersten Spiegel trifft, der ihn auf einen zweiten geneigten Spiegel lenkt, um den Laserstrahl zur Beleuchtungsoptik des Mikroskops zu leiten, wobei jedoch der Laserstrahl seitlich bezüglich des eintretenden Strahls um eine Strecke gleich dem Abstand zwischen den beiden geneigten Spiegeln versetzt ist und diese beiden Spiegel um eine zum eintretenden Laserstrahl konzentrische Achse gedreht werden, um die Beleuchtung der Probe gleichmäßig zu gestalten.

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Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist außerdem verschiedene Vorrichtungen auf, um die verschiedenartigen Untersuchungen durchführen zu können. Besonders ist ein beweglicher Spiegel für die direkte Beobachtung der Probe vor Auswahl der Frequenz vorgesehen. Ferner ist eine Probenbeleuchtung mit Durchlicht zur Ausführung von diaskopischen Untersuchungen vorgesehen, und in der Übertragungsoptik ein Umlenkspiegel, der nach Schwenkung die Untersuchung mehrerer Proben ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Mikrosonde weist außerdem eine rasch arbeitende Detektorvorrichtung und eine Registriervorrichtung für eine Reihe von Abbildungen im Verlauf der Entwicklung der Probe in Abhängigkeit von der Zeit während Reaktionen oder physikochemisehen oder biologischen Umwandlungen auf.

Es ist darauf hinzuweisen, daß zum Erzielen guter Ergebnisse vorzugsweise sehr leistungsstarke Gittermonochromatoren verwendet werden, die besonders zur Untersuchung des RAMAN-Effekts ausgebildet sind. Dabei kann es sich um Doppel- oder Tripel-Monochromatoren mit ebenen oder sphärischen, gravierten oder holographischen Gittern handeln. Diese Monochromatoren sind beschrieben in den französischen Patentanmeldungen No. 74 11 922 und 74 24 947-Von diesen betrifft die erstgenannte ein Spektrometer mit gekoppelten Gittern und die zweitgenannte des gleichen Anmelders, Monsieur Edouard da SILVA, einen Monochromator mit konkaven holographischen Gittern mit Spalten.

Wenn man beispielsweise einen Doppelmonochromator mit zwei konkaven holographischen Gittern von 1000 mm Brennweite und 2000 Strichen pro Millimeter verwendet, erhält man einen Filter mit den folgenden Merkmalen:

a) außerordentlich geringer Nebenlichtgrad (selbst für große Spalte)f um eine genügende Abweisung des Laserstrahls zu gewährleisten;

b) eine brauchbare Korrektion des Astigmatismus;

c) eine hohe Lichtstärke' (Leuchtkraft);

d) eine Durchlässigkeit für die Abbildungen ohne Verschlechterung der Auflösungskraft des Mikroskops.

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Die Erfindung wird näher erläutert durch die folgende Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in den beigefügten Zeichnungen dargestellt ist. Es zeigen:

Fig. 1 ein optisches Schema der gesamten Vorrichtung;

Fig. 2 eine schematische Ansicht der gesamten Vorrichtung mit den Blöcken der Hauptelemente;

Fig. 3 eine Ansicht der Vorrichtung mit weiteren Einzelheiten;

Fig. 4 eine Einzelansicht eines Teils der Probenbeleuchtungsvorrichtung;

Fig. 5A eine schematische Darstellung einer Probe;

Fig. 5B ein übliches RAMAIm-Spektrum von in der Probe enthaltenen Elementen

Fig. 5C eine Gesamtabbildung, die bei der Frequenz V a untersucht wird;

Fig. 5D eine Gesamtabbildung, die bei der Frequenz v" b untersucht wird;

Fig. 5E eine Gesamtabbildung, die bei der Frequenz >) c untersucht wird;

Fig. 5F eine Gesamtabbildung, die bei der Frequenz \) d untersucht wird;

Fig. 5G eine Gesamtabbildung, die bei der Frequenz ν a, b untersucht wird;

Fig. 6 eine schematische Darstellung der Probe, wobei der Strahl auf einen Punkt mit den Koordinaten XY gerichtet ist;

Fig. 6A ein erhaltenes übliches Spektrum; Fig. 6B eine Mehrkanalabbildung und das erhaltene Spektrum;

Fig. 7 eine schematische Darstellung der Probe, wobei jedes Element nicht mehr homogen ist;

Fig. 7A eine Intensitätsverteilung des Elements längs der Linie mn.

Die in den Fig. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung setzt sich zusammen aus einer gepulsten oder kontinuierlichen Laserstrahlenquelle 1, die einen Laserstrahl 8 zu einer Vorrichtung 2 sendet, die mehrere Beleuchtungsarten zuläßt, und auf die weiter unten näher eingegangen wird. Der Laserstrahl wird auf das Objekt 9 gelenkt, dessen wiederausgesandte Strahlung durch das Mikroskop 3 untersucht wird.

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Das aus dem Mikroskop austretende Bild, schematisch der Strahl 10» kann entweder auf dem Kontrollschirm 11 (Fig. 3) untersucht werden ι nachdem er durch das Strahlenteilungsprisma 12 gegangen, vom umlenkspiegel 13 reflektiert, durch die Projektionslinse gegangen und vom Umlenkspiegel 15 reflektiert wurde, oder der Strahl kann auch durch das Strahlenteilungsprisma 12 zur Übertragungsoptik 4 abgelenkt werden, die ihn in den Monochromator lenkt, an dessen Ausgang die Strahlung in der Austrittsoptik gesammelt wird, um sie der Detektorelektronik 7 zuzuleiten (Fig.2),

Eine wesentliche Ausgestaltung der Erfindung (Fig. 3 und 4) liegt in der Laserstrahl-Probenbeleuchtungsvorrichtung 2, welche die Beleuchtung des Objekts 9 gleichmäßig gestaltet, indem ein erster geneigter Spiegel 16 vorgesehen ist, auf den der von der Laserquelle kommende unbewegliche einfallende Laserstrahl 8 trifft» der von diesem ersten Spiegel auf einen zweiten, ebenfalls geneigten Spiegel 17 gelenkt wird, der den Strahl 18 im wesentlichen parallel zum einfallenden Strahl in der gleichen Richtung, jedoch seitlich zum einfallenden Strahl um eine Strecke R gleich dem Abstand zwischen den beiden Spiegeln 16,17 verschoben weiterleitet. Die beiden Spiegel 16 und 17 sind an einer Tubushalterung 19 befestigt, die. in Lagern 20 und 21 drehbar ist. Die Halterung 19 wird durch eine Riemenscheibe 22 angetrieben und weist eine Platte 23 auf, an der verstellbar die beiden Halterungen 24 und 25 der Spiegel 16 und 17 befestigt sind. Die Einstellung der Halterungen 24 und 25 erfolgt mit Hilfe von Schrauben 26, 27. Der Tubus 19 ist zum Laserstrahl 8 konzentrisch. Durch diese Vorrichtung erhält man einen Strahl 18, der einen Drehkegel umhüllt, dessen Achse genau der Strahl 8 ist. Tatsächlich überstreicht der Strahl 18 eine Ringfläche, die den im Mikroskop 3 eingebauten Spiegel 28 umfassen kann (Fig. 1), der eine Beleuchtung des Objekts 9 ermöglicht, indem der Strahl in einem zum Mikroskop konzentrischen Tubus 29 verläuft, der Ringlinsen 30, 31 aufweist, die als Kondensor dienen und eine zweckmäßige Beleuchtung des Objekts 9 ermöglichen, indem sie die Beleuchtung gleichmäßig gestalten, so daß man in der Folge Ab-

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bildungen ohne Laser-Specie -Rauschen erhält. Diese Vorrichtung ermöglicht sowohl eine Gesamtbeleuchtung wie eine lineare oder punktförmige Beleuchtung der Probe.

Eine andere abgewandelte Ausführungsform, die im Block 32 der Fig. 3 gezeigt ist ι ermöglicht eine Beleuchtung des Objekts 9 durch das Objektiv 33 und einen Spiegel 34. Diese Abwandlung bietet die gleichen Möglichkeiten wie die vorgenannte Vorrichtung. Der Strahl 18 wird auf die Umlenkspiegel 37 und 38 gerichtet, bevor er in Form des Strahl 35 oder 39 in das Mikroskop 3 gelangt. In diesem Fall erhält man eine episkopische Beleuchtung.

Gemäß einer anderen Abwandlung wird der in den Fig. 2 und 3 gestrichelt gezeichnete Strahl 18 durch den Umlenkspiegel 37 auf zwei andere Umlenkspiegel 40 und 41 gelenkt, um durch den Kondensor 42 das Objekt 9 im Durchlicht zu beleuchten (diaskopische Untersuchung entweder mit dunklem oder hellem Grund). Der Austrittsstrahl 10 verläuft dann in gleicher Weise wie oben erläutert.

Nach dem Strahlenteilerprisma 12 wird der Strahl 43 in der Übertragungsoptik 4 weitergeleitet durch die Linsen 44f 45» 46 und 47» wobei zwischen den Linsen 46 und 47 ein beweglicher Umlenkspiegel 48 angeordnet ist. Dieser kann entweder den Strahl zum Monochromator 5 lenken oder einen gestrichelt gezeichneten Strahl empfangen (Fig. 3). der von einer außerhalb des Geräts befindlichen Probe durch ein Übertragungsobjektiv 50, Umlenkspiegel 51 und 52 und eine Sammellinse 53 zugeführt wird, welche die Beleuchtung dieser Probe mit einem anderen Laserstrahl ermöglichen.

Der Strahl 54, der durch die Feldlinse 47 geht, gelangt durch den Spalt 55 in den Monochromator 5. Er wird dann auf ein erstes konkaves holographisches Gitter 56 und dann auf zwei Umlenkspiegel 57t 58 geleitet, zwischen denen sich ein in der Höhe einer Übertragungslinse angeordneter Zwischenspalt 59 befindet.

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Nach dem Spiegel 58 trifft dor Strahl auf ein zweites konkaves holographisches Gitter 60 und gelangt von dort auf einen Spalt und eine Übertragungslinse 61. Man erhält so einen für das RAMAN-Spektrum charakteristischen Strahl 62, der untersucht werden kann, indem man ihn durch die bewegliche Linse 63 auf den Spiegel 64 und den Photo-multiplier 65 richtet. Der Strahl 62 kann, indem man den Spiegel 64 beiseite läßt, direkt auf die Photokathode der Bildverstärkerröhre 66 gerichtet werden. Das erhaltene Bild wird vom Bildübertragungsobjektiv 67 aufgenommen und kann mit Hilfe der Kamera 68 untersucht werden.

Mit Hilfe eines Spiegels 69, der das von der Bildverstärkerröhre 66 ausgesandte Bild durch eine Linse 70, über einen beweglichen Spiegel 71 und durch einen Spalt 72 einem Sekundärelektronenvervielfacher 73 zuführt, kann man Intensitätsmessungen vornehmen.

Tatsächlich bildet der Strahl 62 den RAMAN-Strahl, der auf verschiedene Weise untersucht und gemessen werden kann.

Für die Erfindung wesentlich ist, daß die Projektion der Zwischenbilder der Probe entweder nacheinander auf die beiden Gitter 56, 60 und die Endabbildung auf dem photoelektrischen Mehrkanalempfanger 66 erfolgt, wobei die Eintrittspupille des Mikroskops mit den Spalten 55, 59, 61 konjugiert ist, oder die Zwischenbilder der Probe auf die Spalte 55» 59, 61 projiziert verden, wobei die Eintrittspupille mit den Gittern 56» 60 konjugiert ist.

Diese beiden Betriebsweisen können erhalten werden durch einfache optische Kommutierung (Spiegel, Linsen) im Inneren der optischen Übertragungsvorrichtungen 4 und 6. Praktisch erfolgt die Kommutierung mit den Linsen 44, 45, 46, 47» 49, 63. Besonders ist ersichtlich, daß die nach dem Austrittsspalt 61 angeordnete Optik 6 entweder das Bild oder die Spektren auf den Empfänger projizieren kann.

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Die Beleuchtung der Gesamthe? t des Feldes, das zusammenwirkt mit einem Mehrkanal-Detektoruystem, das gleichzeitig alle Punkte eines Bildes registriert (Mikrographie oder RAMAN-Spektrum), ermöglicht die Vervendung von Lasern im kontinuierlichen oder gepulsten Betrieb.

Diese neuartige Anordnung ermöglicht eine Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der Probe, beispielsweise bei physikochemischen oder biologischen Umwandlungsreaktionen.

Zur Erläuterung der verschiedenen Arbeitsweisen der Mikrosonde nimmt man ein mikroskopisches Präparat a) das aus verschiedenen schematisch gezeigten Elementen A, B, C in einem Substrat D besteht (Fig. 5A). Jedes Element A, B, C, D besitzt ein charakteristisches RAMAN-Spektrum a, b, c, d. Jedes Spektrum besitzt charakteristische Frequenzen O^ , O^ » · · · ^n ·

Man wählt eine Frequenz >) a des RAMAN-Spektrums von A» die von den anderen Elementen B, CD nicht geliefert wird. Bei dieser Frequenz ^) a untersucht man nach Gesamtbeleuchtung das RAMAN-BiId und sieht im Bild des Objekts nur die Elemente A.

Ebenso erhält man bei der Frequenz 0 b nur das Bild der Elemente B usw.

Bei der Frequenz ν a, b, die den beiden charakteristischen Strahlen der Elemente A und. B entspricht, erhält man im Bild nur die Elemente A und B.

Wenn man nun die Art eines unbekannten Elements feststellen will, wird der Laser-Strahl auf das Element, das die Koordinaten x, y hat, gerichtet, und man erhält das gesamte klassische Einkanal-Spektrum oder einen Teil des raschen Mehrkanalspektrums. Die Kenntnis dieser charakteristischen Spektren ermöglicht die Identifizierung des Elements.

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Wenn nun der Laserstrahl auf eine Linie gesammelt (scharf eingestellt) ist, kann man bei der Frequenz \) b, die für das Element B charakteristisch ist, die Intensitätsverteilungdes Elements B längs der Linie mn untersuchen und ebenso bei der Frequenz V. c die Intensitatsverteilung des Elements C.

Entsprechend kann man die Entwicklung eines Bildes in Abhängigkeit von der Zeit oder die Entwicklung der Intensität eines Punktes oder einer Linie untersuchen, um eine Kinetik oder physiko-chemische oder biologische Umwandlungen zu verfolgen. Die Beleuchtung der Probe gleichzeitig längs einer Geraden oder einer Kurve erfolgt durch eine bestimmte Bewegung der Beleuchtungsvorrichtung, besonders der Spiegel 16, 17, 37, 38, 40, 41 , sowie durch Einschaltung von optischen oder elektrooptischen Elementen.

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Claims

Patentansprüche

Optische Mikroskop-Laser-Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie mit einer Vorrichtung zum Beleuchten einer Probe durch eine Laser-Strahlenquelle, einem Mikroskop, das eine vergrößerte Abbildung der Probe liefert, Vorrichtungen zur Auswahl der Wellenlänge des von der Probe wieder ausgesandten Lichts und einer Detektorvorrichtung für das ausgewählte Licht, gekennzeichnet durch bewegliche optische Elemente, die je nach ihrer Stellung entweder

a) ein mikrographisches Bild, das die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Spezies (Untersuchungssubstanz), gleich ob es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein Ion handelt, liefert, die durch Isolieren einer im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum ausgewählten, für diese Spezies charakteristischen Strahlung erhalten wurde _f wobei alle Punkte der Probe gleichzeitig beleuchtet werden, oder

b) ein mikrographisches Bild, das die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Spezies, ob es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein Jon handelt, liefert, die durch Isolieren einer im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum gewählten, für diese Spezies charakteristischen Strahlung erhalten wurde, wobei die Punkte der Probe nacheinander beleuchtet werden, oder

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c) ein mikrographisches Bild, das die Verteilungskarte einer gegebenen mehratomigen Spezies, ob es sich um ein Molekül, ein Kristall oder ein Ion handelt, liefert, die durch Isolieren einer im Stokes- oder Anti-Stokes-RAMAN-Spektrum ausgewählten, für diese Spezies charakteristischen Strahlung erhalten wurde, wobei die Punkte der Probe gleichzeitig längs einer Geraden oder Kurve belichtet werden, die in diesem Bild ausgewählt wurde, oder

d) das Intensitätsprofil dieser RAMAIi-Strahlung längs einer in diesem Bild ausgewählten Geraden oder Kurve, das durch Vergleich mit Eichwerten die Erstellung einer qualitativen und quantitativen Analyse der betrachteten Spezies ermöglicht, oder

e) RAMAN-Spektren von sehr kleinen örtlichen Bereichen nach Wahl des Benutzers im Bild der Probe liefern,

sowie Detektorvorrichtungen für das ausgewählte Licht, die vom Typ Einkanal-Detektor, besonders Sekundärelektronenvervielfacher, und vom Typ Hehrkanal-Detektor, besonders Bildverstärker, sind.
2. RAMAN-Mikrosonde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beweglichen Elemente folgende sind:

- mindestens ein Teil eines Kondensors des Beleuchtungssystems der Probe;

- mindestens ein Teil einer Übertragungsoptik, die zwischen dem Mikroskop und der Vorrichtung zur Auswahl der Wellenlänge angeordnet ist;

- mindestens ein Teil einer Übertragungsoptik, die zwischen der Vorrichtung zur Auswahl der wellenlänge und der Letektorvorrichtung angeordnet ist, und

- ein Spiegel, der das ausgewählte Licht entweder auf einen Sekundärelektronenvervielfacher (Photo-multiplier) odor auf einen Mehrkanal-Bilddetektor, besonders eine Bildverstärkerröhre, richtet.
3· Optische Laser-Mikrosonde nach einem der Ansprüche 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Kombination: a) eine gepulste oder kontinuierliche Laser-Strahlenquelle (1);

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b) eine optische Vorrichtung (2), welche mehrere Beleuchtungsarten des Objekts, wie global, über eine Linie oder an einem Punkt ermöglicht;

c) ein Mikroskop (3), das ein vergrößertes Bild des Objekts mit mehreren Beobachtungsmöglichkeiten, ob auf dunklem Grund, auf hellem Grund, durch Reflexion oder durch Durchsicht liefert;

^; d) eine Übertragungsoptik (4), die dieses Bild in Abhängigkeit von der vorzunehmenden Untersuchung durch Verschiebungen der optischen Elemente (44, 45» 46, 48, 49) entweder auf den Eintrittsspalt (55) des Monochromators (5) oder auf das Gitter(56)des Monochromators bringt;

e) einen additiven Monochromator (5), mindestens einen Doppelmonochromator, der mit mindestens zwei konkaven holographischen Gittern(56,6O) ausgerüstet ist, deren Oberflächen mittels einer geeigneten, in der Höhe des Zwischenspalts (59)angeordneten Optik konjugiert sind;

f) eine Austrittsoptik (6), die durch Verschiebung der optischen Elemente (64, 69, 71» 72) entweder das Bild auf der Oberfläche des zweiten Gitters oder das Bild des Auslaßspalts (61) des Monochromators auf der Photokathode einer Bildverstärkerröhre (66) abbildet;

g) eine Detektorelektronik, die Sekundärelektronen-Vervielfacher (photo-multiplier) (65, 73), eine Bildverstärkerröhre (66) und eine elektronische oder photographische Kamera (68) enthält, die die Sichtbarmachung des Bildes des Objekts oder seines Spektrums und die Registrierung der Intensitätsprofile ermöglichen.
4. Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie nach einem der Ansprüche bis 3» dadurch gekennzeichnet, daß sie als Strahlenquelle einen gepulsten Laser aufweist und mit einer Mehrkanal-Detektoreinrichtung ausgerüstet ist.

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5. Mikrosonde für RAMAN-Spektioskopie nach einem der Ansprüche

1 bis 41 dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Auswahl der Wellenlänge des wiederausgesandten Lichts das Isolieren der charakteristischen RAMAN-Strahlung und die Ausschaltung der ohne Veränderung der Wellenlänge gestreuten Laserstrahlung mit einem Abschwächungsgrad von mindestens

—1 0
10 ermöglichen.
6. Mikrosonde für KAMAh-Spektroskopie nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Auswahl der Wellenlänge des wiederausgesandten Lichts ein additiver Monochromator (5) mindestens ein Doppelmonochromator ist, dePmindestens zwei konkaven holographischen Gittern (56, 60) ausgerüstet ist, deren Oberflächen mittels einer in der Höhe des Zwischenspaltes (59) angeordneten geeigneten Optik konjugiert sind.
7. Optische Laser-Mikrosonde nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion der Zwischenbilder der Probe nacheinander auf die beiden Gitter erfolgt und das endgültige Bild auf dem photoelektrischen Mehrkanalempfänger entsteht, wobei die Eintrittspupille des Mikroskops mit den Spalten konjugiert ist.
8. Optische Laser-Mikrosonde nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Projektion der Zwischenbilder der Probe auf die Spalte erfolgt, wobei die Eintrittspupille mit den Gittern konjugiert ist.
9. Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie nach einem der Ansprüche

1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung zum Beleuchten der Probe durch laserstrahlen vorgesehen ist, indem im Strahlengang des von der Laser-Strahlenquelle kommenden einfallenden unbeweglichen Laserstrahls (8) ein geneigter erster Spiegel (16) angeordnet ist, der den Strahl auf einen zweiten geneigten Spiegel (17) umlenkt, um den Laserstrahl unter seitlicher Verschiebung gegenüber dem einfallenden Strahl um eine Strecke gleich dem Abstand zwischen den beiden

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Spiegeln (16,17) verschoben der Beleuchtungsoptik des ' Mikroskops zuzuleiten, wobei die beiden Spiegel (16, 17) um eine zum einfallenden Laserstrahl (8) konzentrische Achse drehbar sind und gedreht werden, um die Beleuchtung der Probe gleichmäßig zu gestalten.
10. Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie nach einem der Ansprüche

1 bis 9» dadurch gekennzeichnet, daß ein beweglicher Spiegel für die direkte Beobachtung der Probe vor der Auswahl der Frequenz vorgesehen ist.
11. Mikrosonde für RAMAN-Spektroskopie nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in der Übertragungsoptik (4) ein Umlenkspiegel vorgesehen ist, der nach Schwenkung die Untersuchung einer mit einem üblichen RAMAN-Laser beleuchteten Probe ermöglicht.
12. Mikrosonae für RAMAN-Spektroskopie nach einem der Ansprüche Ibis 11, dadurch gekennzeichnet, daß sie schnell arbeitende Detektorvorrichtungen und Vorrichtungen zur Registrierung einer Reihe von Bildern im zeitlichen Verlauf der Entwicklung der Probe während Reaktionen oder physiko-chemisehen oder biologischen Umwandlungen aufweist.

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