DE3519764A1 - Vorrichtung zur zerlegung optischer strahlung - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur Zerlegung optischer Strahlung
• Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur spaktralen Zerlegung optischer Strahlung mit einer Lichteintrittsöffnung, Mitteln zur Abbildung der Eintrittsöffnung in eine Lichtaustrittsebene, zwischengeschalteten dispersiven Bauelementen und in der Austrittsebene angeordneten Mitteln zum Nachweis einzelner Spektrallinien.
• Vorrichtungen dieser Art sind bekannt und werden allgemein als Spektrometer oder Monochromator bezeichnet. Für fotometrische Messungen sind als Mittel zum Nachweis der Spektrallinien einzelne fotoelektrische Empfänger oder neuerdings auch in einer Zeile nebeneinanderliegende Empfängerelemente (Dioden-Array) vorgesehen. Besondere Anwendung finden sie in der Atomabsorptions-Spektrofotometrie.
• Zur Bestimmung der Konzentration eines bestimmten Elementes in einer dampfförmigen Probe wird die Absorption einer für das Element spezifischen Spektrallinie gemessen. Um diese Spektrallinie aus dem Emissionsspektrum der verwendeten Lichtquelle separieren zu können, wird in dem Meßstrahlengang dem Probenraum ein Monochromator nachgeschaltet. Dieser enthält im allgemeinen ein Beugungsgitter, das die den Probenraum verlassende Strahlung spektral zerlegt.
• An den Ort der interessierenden Spektrallinie wird ein fotoelektrischer Empfänger gesetzt, der ein der Intensität dieser Spektrallinie proportionales elektrisches Signal erzeugt. Bei Verwendung einer Diodenzeile besteht die Möglichkeit, die Absorption mehrerer Spektrallinien elektronisch abzufragen, so daß auch eine Multielementanalyse möglich ist.
• Eine Schwierigkeit der Atomabsorptions-Spektrofotometrie besteht generell in der Messung der unspezifischen Untergrundabsorption. Als sehr wirkungsvolle und empfindliche Meßmethode hat sich hierbei die Zeeman-Atom-Absorptions-Spektroskopie bewährt. Durch ein äußeres Magnetfeld werden entweder die interessierenden Emissionslinien der Lichtquelle oder das Absorptionsprofil des zu untersuchenden Elementes aufgespalten. Die Aufspaltung erzeugt neben der ursprünglichen Spektrallinie weitere, dazu in Frequenz geringfügig verschobene Linien, die durch ihren Polarisationszustand unterscheidbar sind. Durch zusätzliche Verwendung eines Polarisators und eines Analysators kann in einer ersten Messung die spezifische Atom-Absorption mit Untergrundabsorption und in einer zweiten Messung nur die Untergrundabsorption gemessen werden. Zur Umschaltung der Polarisationsrichtungen werden entweder rotierende Polarisatoren oder stromgesteuerte Phasenschieber nach DE-Gbm 7824044 in Verbindung mit einem feststehenden Analysator im Meßstrahlengang verwendet.
• Polarisatoren und Analysatoren bestehen aus optisch doppelbrechendem Material.
• Es ist zu beobachten, daß sie insbesondere im UV-Bereich, der für Atom-Absorptions-Messungen besonders interessant ist, nur für sehr kleine Strahlenquerschnitte geeignet sind. Aufgrund von Unregelmäßigkeiten in der Kristalstruktur ist ihre Polarisationswirkung außerhalb der optischen Achse eines Lichtstrahles nicht gleichförmig. Das führt bei einer Rotation des Polarisators zu unterschiedlichen Lichtintensitäten, unabhängig von der Polarisation und zu einer leichten Strahlversetzung zwischen beiden Polarisationsebenen, so daß ein falsches Meßsignal entsteht.
• Zusätzliche Schwierigkeiten ergeben sich bei der Verwendung eines rotierenden Polarisators aus den mechanischen Anforderungen, da sich Erschütterungen am Gerät auf den Antrieb des Polarisators übertragen können und die Synchronisation zwischen Drehstellung und Meßsignalgewinnung dadurch gestört wird.
• Außerdem ist die Geschwindigkeit der Umschaltung zwischen zwei unterschiedlichen linearen Polarisationszuständen begrenzt.
• Ein mechanisch wenig auffälliger und in der Umschaltung schnellerer Polarisator ist der stromgesteuerte Phasenschieber. Seine Polarisationswirkung ist jedoch wellenlängenabhängig und erfordert daher eine aufwendige Stromsteuerung bei der Anwendung für unterschiedliche Wellenlängen.
• Dem Erfinder lag daher die Aufgabe zugrunde, insbesondere für Zwecke der Zeeman-Atom-Absorptions-Spektroskopie eine Vorrichtung anzugeben, mit der die Absorption der Spektrallinien unterschiedlicher linearer Polarisation sehr schnell und ohne mechanisch drehende oder schwingende polarisationsoptische Bauelemente im Strahlengang gemessen werden kann, so daß ein besonders erschütterungsfester Aufbau ermöglicht wird.
• I)iese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art entsprechende dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 dem Eintrittsspalt des Spektralapparates ein Polarisationsprisma mit geteiltem Gesichtsfeld unmittelbar nachgeordnet wird. Besonders vorteilhaft ist es, dafür ein Wollastronprisma zu verwenden, da dieses eine symmetrische Strahlenaufspaltung erzeugt.
• Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, die zeitlich nacheinander ablaufende Absorptions-Messung für die beiden Polarisationszustände der verwendeten Spektrallinien durch eine zeitlich parallele, mit geometrischer Trennung der den Polarisationszuständen zugehörigen Spektren innerhalb des Spektralapparates zu ersetzen. Für jede Polarisationsrichtung der Zeeman-Aufspaltung wird ein von den Linien her identisches Spektrum erzeugt. Beide Spektren sind in der Austrittsebene des Spektralapparates entsprechend dem Aufspaltungswinkel des Polarisationsprismas gegeneinander verschoben. Die Verschiebung kann durch Eichung ermittelt werden. An den Ort der interessierenden Spektrallinie können dann jeweils getrennte Fotomultiplier oder Fotodioden zur Absorptionsmessung gesetzt werden.
• Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist in der Zeichnung schematisch dargestellt.
• Dem Lichteintrittsspalt 1 eines Gitterspektrographen mit einem Gitter 2 und einer Lichtaustrittsebene 3 ist ein Wollastonprisma 4 nachgeordnet. Das abbildende Gitter 2 und die Austrittsebene 3 liegen auf dem sogenannten "Rowland-Kreis".
• Das Wollastonprisma 4 ist zum Meßstrahlengang so orientiert, daß die Polarisationsrichtung des ordentlichen 5 und außerordentlichen Lichtstrahls 6 mit den Polarisationbenen der Zeeman-Aufspaltung parallel sind. Das Meßlichtstrahlenbündel braucht daher, abgesehen von der Zeeman-Aufspaltung der Lichtquelle oder im Probenraum nicht weiter durch polarisationsoptische Bauelemente moduliert zu werden.
• Die Absorptionsmessung und die Messung zur Ermittlung der Untergrundabsorption können gleichzeitig und an identischem Probenvolumen durchgeführt werden. Dazu ist in der Lichtaustrittsebene 3 eine Diodenzeile 7 angeordnet, auf der die durch das Gitter 2 erzeugten und dem ordentlichen und außerordentlichen Strahl 5, 6 zugeordneten Spektren liegen. Durch an sich bekannte und nicht weiter dargestellte elektronische Abfrage der einzelnen Dioden können die beiden Spektren oder einzelne ausgewählte Spektrallinien analysiert werden. Ein zusätzlicher Vorteil der Diodenzeilen ist ihre große spektrale Bandbreite mit hoher Empfindlichkeit auch im UV-Bereich.
• Anstelle des Wollaston-Prismas 4 können selbstverständlich auch andere bekannte Polarisationsprismen mit geteiltem Gesichtsfeld verwendet werden. Bei diesen Prismen erfährt jedoch immer nur einer der beiden Lichtstrahlen eine Ablenkung, so daß an der Lichtaustrittsfläche für diesen Strahl eine Dispersion auftritt, die zu kompensieren wäre. Durch zusätzliche optische Korrekturmaßnahmen könnte dabei auch dafür gesorgt werden, daß die optischen Weglängen für den ordentlichen und den außerordentlichen Strahl innerhalb des Spektralapparates gleich lang sind, um eine übereinstimmende Scharfabbildung der beiden Spektren in der Austrittsebene zu gewährleisten. Dazu könnte z. 8. die Beugungscharakteristik des Gitters oder die Gestaltung der Stirnfläche des Prismas geeignet modifiziert werden.
• Die erfindungsgemäße Maßnahme ist selbstverständlich auch nicht auf Gitterspektrometer beschränkt.

Claims (2)

1. Patentansprüche 1. Vorrichtung zur Zerlegung optischer Strahlung mit einer Lichteintrittsöffnung, Mitteln zur Abbildung der Eintrittsöffnung in einer Lichtaustrittsebene und zwischengeschalteten dispersiven Bauelementen, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichteintrittsöffnung ein Polarisationsprisma mit geteiltem Gesichtsfeld unmittelbar nachgeordnet ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Polarisationsprisma ein Wollastonprisma vorgesehen ist.