DE4410036A1 - Zweistrahl-Polychromator - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Zweistrahl-Polychromator mit einem reflektierenden Dispersionsgitter, einem ersten Eintrittsspalt für ein erstes Strahlbündel und einem zweiten Eintrittsspalt für ein zweites Strahlbündel und einer ersten und zweiten De­ tektorvorrichtung zum jeweils simultanen Nachweisen eines Spek­ trums der an dem Dispersionsgitter gebeugten ersten und zweiten Strahlbündel.

Polychromatoren ermöglichen eine simultane Erfassung eines spektral aufgefächerten (dispergierten) Lichtstrahlbündels und besitzen daher eine große Bedeutung für die Spektroskopie. Im allgemeinen wird bei einem Polychromator ein Lichtstrahlbündel, das beispielsweise eine Absorptionsprobe durchlaufen hat, über einen Eintrittsspalt auf ein Dispersionsgitter zum Erzeugen eines räumlich aufgefächerten Wellenlängenspektrums gelenkt, das in eine Bildebene, in der ein Detektorfeld angeordnet ist, abgebildet wird. Mit dem Detektorfeld, z. B. in Form einer Diodenzeile, ist eine simultane Messung der Intensitäten des auf jede der Einzeldioden fallenden, spektral zerlegten Lichts möglich.

Zur Ausschaltung von Meßfehlern, beispielsweise aufgrund von Fluktuationen oder Wellenlängendriften in der Lichtquelle oder von Drifterscheinungen aufgrund thermischer Veränderungen des optischen Wegs in dem Polychromator ist in der DE-A-42 23 211 ein Zweistrahl-Gitterpolychromator beschrieben, der zusätzlich zu dem üblichen Probenstrahlbündel ein dazu umgekehrt symme­ trisch verlaufendes Referenzstrahlbündel aufweist, um unter Durchlaufen desselben optischen Wegs in umgekehrter Richtung wie das Probenstrahlbündel eine Referenzmessung zu ermöglichen, mit der Veränderungen im optischen System simultan zur Proben­ messung festgestellt werden können. Bei dem bekannten Zwei­ strahl-Gitterpolychromator wird das aus dem Eintrittsspalt divergent austretende Probenlicht nach Überquerung einer durch die Oberflächennormale auf das Gitter gebildeten optischen Achse von einem ersten Hohlspiegel reflektiert, um parallel ge­ richtet auf das Gitter zu treffen, an dem es reflektiert und dispergiert wird. Das am Gitter dispergierte Probenlicht trifft auf einen bezüglich der optischen Achse symmetrisch zu dem ersten Hohlspiegel angeordneten zweiten Hohlspiegel, an dem es reflektiert wird und unter erneuter Überquerung der optischen Achse auf ein Diodenarray trifft, das die simultane Erfassung des Wellenlängenspektrums für das Probenstrahlbündel ermög­ licht. In Verlängerung des Diodenarrays ist ein Eintrittsspalt für ein Referenzstrahlbündel an der Position vorgesehen, an der die 0. Ordnung des Probenstrahlbündels abgebildet wird, wobei das Referenzstrahlbündel einen zu dem Probenstrahlbündel umge­ kehrten optischen Weg durchläuft und auf ein neben dem Ein­ trittsspalt für das Probenstrahlbündel symmetrisch zu dem ersten Detektorfeld angeordnetes zweites Detektorfeld trifft.

Das System hat den Vorteil, daß Veränderungen in der optischen Anordnung, die beispielsweise bisher nicht feststellbare Ab­ weichungen aufgrund thermischer Expansion innerhalb des Poly­ chromators betreffen können, zuverlässig durch die Referenz­ messung aus den Ergebnissen für das Probenstrahlbündel elimi­ niert werden können. Andererseits ist es bei dem bekannten System jedoch schwierig, den zweiten Eintrittsspalt und das zweite Detektorfeld für das Referenzstrahlbündel geeignet anzu­ ordnen, da der mechanische Aufbau für den Eintrittsspalt und das Detektorfeld des Probenstrahlbündels jeweils im Wege stehen. Ein Versuch zur Umgehung dieses Problems bestand darin, die Eintrittsspalte für das Referenz- und Probenstrahlbündel jeweils in zu den danebenliegenden Detektorvorrichtungen ver­ schwenkten Positionen anzuordnen und das aus den Spalten aus­ tretende Licht über geeignet umlenkende, teildurchlässige Spiegel in den gewünschten Strahlengang einzublenden. Solche teildurchlässige Spiegel, die vor den Detektorvorrichtungen an­ gebracht sind, stellen zusätzliche, schwierig zu montierende optische Komponenten dar, die aufgrund einer wellenlängen- und winkelabhängigen Transmissionscharakteristik eine schwer ab­ schätzbare Beeinflussung der Intensitätsmessung an den Detek­ toren hervorrufen.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten Zweistrahl-Polychromator zu schaffen, der die oben erwähnten Schwierigkeiten nach dem Stand der Technik überwindet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Zwei­ strahl-Polychromator mit einem reflektierenden Dispersions­ gitter, einem ersten Eintrittsspalt für ein erstes Strahlbündel und einem zweiten Eintrittsspalt für ein zweites Strahlbündel und einer ersten und zweiten Detektorvorrichtung zum jeweils simultanen Nachweisen eines Spektrums des an dem Dispersions­ gitter gebeugten ersten und zweiten Strahlbündels, das sich dadurch auszeichnet, daß dem Dispersionsgitter eine eine Durch­ brechung aufweisende Hohlspiegelanordnung gegenüberliegt, durch die das an dem Dispersionsgitter gebeugte Licht auf die erste und zweite Detektorvorrichtung fokussierbar ist, und daß das von dem ersten und zweiten Eintrittsspalt kommende Licht je­ weils durch die Durchbrechung hindurch auf das Dispersions­ gitter einstrahlbar ist.

Der erfindungsgemäße Zweistrahl-Polychromator schafft eine ver­ einfachte Anordnung für den ersten und zweiten Eintrittsspalt in beträchtlicher Entfernung von den jeweiligen Detektorvor­ richtungen, so daß keine Kollison bei der mechanischen Anord­ nung der Eintrittsspalte und der Detektorvorrichtungen auf­ tritt. Der Zweistrahl-Polychromator weist daher den Vorteil eines vereinfachten mechanischen Aufbaus auf. Die in dem Hohl­ spiegel vorgesehene Durchbrechung sorgt zudem für eine wirksame Entfernung von Streulicht aus dem Polychromator, da sämtliches durch die Durchbrechung austretendes unerwünschtes Licht die Anordnung vollständig verläßt und daher keinen störenden Signalbeitrag auf den Detektorvorrichtungen hervorruft. Die Erfindung besitzt weiter den Vorteil, daß zur Abbildung der am Gitter gebeugten ersten und zweiten Strahlbündel auf die Detek­ torvorrichtungen nur eine einzige fokussierende Hohlspiegelan­ ordnung erforderlich ist. Somit ist nur eine kollimierende op­ tische Anordnung zusätzlich zu dem Dispersionsgitter erforder­ lich, wodurch ein relativ einfacher Aufbau des Polychromators erhalten wird. Aufgrund der geringen Anzahl von erforderlichen optischen Bauteilen ist der Polychromator besonders kosten­ günstig. Weiter ist der erforderliche Aufwand beim Justieren der optischen Anordnung aufgrund der geringen Anzahl von op­ tischen Komponenten vermindert. Der erfindungsgemäße Zwei­ strahl-Polychromator ermöglicht einen sehr kompakten Aufbau.

In einer vorteilhaften Weiterbildung ist als Dispersionsgitter ein Konkavgitter vorgesehen. Aufgrund des Konkavgitters, auf das die ersten und zweiten Strahlbündel jeweils divergent ein­ strahlbar sind, entfällt die Notwendigkeit, zusätzliche Sammel­ optiken vorzusehen, um die beiden Strahlbündel vor der Disper­ sion an dem Gitter zu kollimieren.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist der Zwei­ strahl-Polychromator derart bezüglich des Dispersionsgitters angeordnete erste und zweite Eintrittsspalte auf, daß die posi­ tive oder negative erste Beugungsordnung des ersten Strahlbün­ dels und die entsprechende inverse Beugungsordnung des zweiten Strahlbündels jeweils auf die erste und zweite Detektorvorrich­ tung fallen und die entsprechenden anderen ersten Beugungsord­ nungen des ersten und zweiten Strahlbündels den Polychromator durch die Durchbrechung im wesentlichen verlassen. Durch diese Anordnung der Eintrittsspalte, durch die ein gewünschter Ein­ fallswinkel der jeweiligen Strahlbündel auf das Dispersions­ gitter erreicht wird, verlassen die jeweiligen komplementären, nichterwünschten Beugungsordnungen des ersten und zweiten Strahlbündels, die eine relativ hohe Beugungsintensität gerade in den Wellenlängenbereichen aufweisen, in denen die Detektor­ vorrichtungen empfindlich sind, den Polychromator durch die Durchbrechung in der Hohlspiegelanordnung. Daher wird auf be­ sonders einfache und dabei höchst wirksame Weise die Unter­ drückung der jeweils unerwünschten Beugungsordnung mit relativ hoher Intensität erzielt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Zweistrahl- Polychromators sind der erste und der zweite Eintrittsspalt und die erste und zweite Detektorvorrichtung in einer senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen verlaufenden Dispersionsebene ange­ ordnet. Dadurch weist der Zweistrahl-Polychromator ein beson­ ders gutes Auflösungsvermögen auf, da eine optimale scharfe Ab­ bildung des Spektrums bevorzugt für in der Dispersionsebene verlaufende Strahlbündel erhalten wird.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform wird als Dis­ persionsgitter ein Laminargitter mit im wesentlichen eine rechteckige Querschnittsform aufweisenden reflektierenden Stegen und Furchenlücken gleicher Breite verwendet, bei dem eine Beugung in gerade Beugungsordnungen, wie die +2. oder -2. Beugungsordnung, unterdrückt ist. Daher wird auf den jeweiligen Detektorvorrichtungen im wesentlichen nur das Licht genau einer gewünschten Beugungsordnung nachgewiesen.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform umfassen die Detektorvorrichtungen jeweils ein Diodenarray. Durch die Ver­ wendung von Diodenarrays wird eine einfache und schnelle elek­ trooptische Umwandlung des Spektrums in elektrische Signale er­ halten, die einer Weiterverarbeitung, z. B. in einem Kleincom­ puter, problemlos zugänglich sind. Dabei ist es besonders vor­ teilhaft, für die erste und zweite Detektorvorrichtung jeweils ausgesuchte Diodenarrays zu verwenden, die ein gleiches ther­ misches und elektrooptisches Verhalten aufweisen. Solche ausge­ suchten Diodenarrays könnten beispielsweise zwei auf einem einzigen Substrat nebeneinanderliegend hergestellte Dioden­ arrays sein, die ein praktisch identisches Verhalten zeigen, da sie gemeinsam in demselben Herstellungsverfahren gefertigt wurden und lediglich nach Fertigstellung voneinander getrennt und in eigene Gehäuse eingebaut wurden.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen aus den Unteran­ sprüchen hervor.

Im folgenden wird die Erfindung für ein Ausführungsbeispiel in bezug auf die Zeichnungen näher erläutert und beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 eine schematische Schnittansicht des optischen Aufbaus des erfindungsgemäßen Zweistrahl-Polychromators mit Dar­ stellung der Strahlengänge;

Fig. 2 eine grafische Darstellung des Beugungswirkungsgrads in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einzelnen Beugungs­ ordnungen für ein typisches Reflexionsgitter mit Sinus­ profil;

Fig. 3 einen Querschnitt senkrecht zu der Richtung der Gitter­ furchen eines Laminargitters;

Fig. 4 eine grafische Darstellung des Beugungswirkungsgrads in Abhängigkeit von der Wellenlänge der einzelnen Beugungs­ ordnungen für ein typisches, in der Fig. 3 gezeigtes Laminargitter; und

Fig. 5 einen Querschnitt senkrecht zur Richtung der Gitter­ furchen eines Gitters mit einem Gitterblaze.

Ein in der Fig. 1 in einer schematischen Schnittansicht gezeig­ ter Zweistrahl-Polychromator 10 umfaßt ein Konkavgitter 12 mit senkrecht zur Papierebene verlaufenden Gitterfurchen, das senk­ recht zu einer Symmetrieachse oder optischen Achse 18 angeord­ net ist. Dem Gitter 12 liegt eine Hohlspiegelanordnung gegen­ über, die durch eine mittige symmetrisch um die optische Achse 18 angeordnete Durchbrechung in einen ersten, in der Zeichnung obenliegenden Teilreflektor 20 und einen zweiten, untenliegen­ den Teilreflektor 22 unterteilt ist. Die beiden Teilspiegel 20 und 22 sind vorzugsweise Teilflächen eines einzigen Hohl­ spiegels, vorzugsweise eines Toroidspiegels, der ein kreis­ förmiges Loch aufweist, dessen Normale gleich der Symmetrie­ achse ist. Andererseits könnten auch zwei einzelne Teilspiegel verwendet werden, die voneinander unabhängig justierbar wären. Als Hohlspiegel wird vorzugsweise ein Toroidspiegel verwendet.

In der Durchbrechung, jeweils in unmittelbarer Nähe zu den innenliegenden Rändern des ersten Teilspiegels 20 und des zweiten Teilspiegels 22, ist ein erster Eintrittsspalt 14 und ein zweiter Eintrittsspalt 16 zur Einstrahlung eines ersten Strahlbündels und eines zweiten Strahlbündels angeordnet. Ein den beiden Eintrittsspalten 14 und 16 jeweils vorangestellter optischer Aufbau (in der Fig. 1 nicht dargestellt), der bei­ spielsweise Lichtleiter enthalten kann, ist dazu vorgesehen, die durch die Eintrittsspalte 14 und 16 eintretenden ersten und zweiten Lichtstrahlbündel als divergente Strahlbündel auf das Dispersionsgitter 12 zu lenken. Der erste Eintrittsspalt 14 und der zweite Eintrittsspalt 16 sowie das erste eintretende Strahlbündel und das zweite eintretende Strahlbündel sind be­ züglich der optischen Achse 18 zueinander jeweils symmetrisch. Ein Einfallswinkel der Lichtstrahlbündel auf das Dispersions­ gitter 12 wird durch den seitlichen Versatz des ersten Ein­ trittsspalts 14 und des zweiten Eintrittsspalts 16 von der op­ tischen Achse 18 mitbestimmt. Aus dem Einfallswinkel des ersten und zweiten Strahlbündels auf das Dispersionsgitter wird, wie weiter unten gezeigt wird, die Richtung bestimmt, in der ein Anteil der jeweiligen eintretenden Strahlbündel mit bestimmter Wellenlänge in einer vorgegebenen Beugungsordnung an dem Re­ flexionsgitter 12 gebeugt wird.

Gemäß dem in der Fig. 1 gezeigten Strahlengang trifft das vom ersten Eintrittsspalt 14 kommende und am Dispersionsgitter 12 reflektierte und gebeugte Licht auf den unteren Teilspiegel 22, an dem es reflektiert und fokussiert wird, wobei eine scharfe Abbildung des Eintrittsspalts 14 für jedes der aufgrund der Dispersion des Gitters räumlich getrennten Teilstrahlbündel mit unterschiedlichen Wellenlängen in eine Bildebene geschaffen wird. In einer dem unterem Teilspiegel 22 gegenüberliegenden Bildebene ist eine erste Detektorvorrichtung 24 angebracht. Auf der Detektorvorrichtung 24 entstehen jeweils verschiedenfarbige Bilder 42, 43 und 44 des Eintrittsspalts, die entlang der De­ tektorvorrichtung im Abstand zueinander stehen. Außerdem ist auf einem nicht empfindlichen Bereich der Detektorvorrichtung ein weißes Bild 41 des Eintrittsspalts 14 abgebildet, das durch die 0. Ordnung, also die spekulare Reflexion, des eintretenden ersten Lichtstrahlbündels an dem Dispersiongitter 12 und nach­ folgend an dem unteren Teilspiegel 22 erhalten wird.

In gleicher Weise wird das aus dem zweiten Eintrittsspalt 16 austretende zweite Lichtstrahlbündel, das divergent auf das Gitter 12 trifft und an diesem reflektiert und gebeugt wird, von dem oberen Teilspiegel 20 in eine obere Bildebene unter Er­ zeugung von räumlich voneinander getrennten Bildern 32, 33 und 34 des Eintrittsspalts für verschiedene Wellenlängen abgebil­ det. In dieser Bildebene des zweiten Eintrittsspalts ist eine zweite Detektorvorrichtung 26 angeordnet. Die beiden Detektor- Vorrichtungen 24 und 26 sind zueinander symmetrisch bezüglich der optischen Achse 18 angebracht. Außerdem weisen die beiden Detektorvorrichtungen 24 und 26 jeweils einen Winkel zur Ein­ fallsrichtung der 0. Ordnung auf, die an den Punkten 41 und 31 jeweils auf der ersten bzw. zweiten Detektorvorrichtung abge­ bildet wird. Der Zweistrahl-Polychromator ist vorzugsweise der­ art konfiguriert, daß für das erste und zweite Strahlbündel zwei zueinander identische Abbildungen erzeugt werden. Dazu müssen alle Strecken und Kippwinkel für die 0. Ordnung jeweils gleich groß sein.

Zur Erzielung eines hohen Auflösungsvermögens ist eine scharfe Abbildung auf die jeweiligen Detektorvorrichtungen unter weit­ gehender Vermeidung von Abbildungsfehlern, wie Koma und Astig­ matismus, erforderlich. Daher sind die beiden Eintrittsspalte und die beiden Detektorvorrichtungen in der Dispersionsebene, das ist die senkrecht zu den Gitterfurchen verlaufende Ebene (Papierebene), angeordnet, in der die zuvor erwähnten Aberra­ tionen minimal sind. Die Abbildungsfehler werden auch durch die Verwendung eines Toroidspiegels vermindert.

Als Detektorvorrichtung eignet sich ein lineares Diodenarray, das für Licht in einem Wellenlängenbereich von etwa 200 nm bis 1.000 nm empfindlich ist. Das Diodenarray weist beispielsweise eine Zeile von äquidistanten lichtempfindlichen Einzeldetek­ toren auf, die ein zur eingestrahlten Lichtintensität an der entsprechenden Lage des jeweiligen Einzeldetektors proportio­ nales elektrisches Auslesesignal erzeugen. Somit kann aufgrund der bekannten Abstandsbeziehung der Detektorelemente in der Diodenzeile ein räumlich aufgelöstes Intensitätsprofil gemessen werden. Eine Diodenzeile bietet zudem den Vorteil, daß die ein­ zelnen Detektorelemente in der Zeile durch sehr schnelles sequentielles Auslesen betrieben werden können und somit der Auslesevorgang besonders schnell ausgeführt werden kann. Üb­ liche Diodenzeilen mit 512 Einzeldioden auf einer Zeilenlänge von 12,8 mm erlauben mit einer Eintrittsspaltbreite von 50 µm typisches Auflösungsvermögen von 3 nm.

Anstelle eines Diodenarrays wäre es auch denkbar, als Detektor­ vorrichtung ein CCD-Array zu verwenden. Bei speziellen Anwen­ dungen, bei denen eine geringe Lichtintensität in den Bild­ ebenen vorherrscht, wäre auch die Verwendung eines besonders lichtempfindlichen Vidiconarrays möglich.

Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung der Eintrittsspalte 14 und 16 ist in bezug auf das Dispersionsgitter 12 derart gewählt, daß das in der +1. Beugungsordnung am Dispersionsgitter 12 reflek­ tierte aus dem ersten Eintrittsspalt 14 austretende erste Strahlbündel auf den unteren Teilspiegel 22 trifft, während die -1. Beugungsordnung des ersten Stahlbündels im wesentlichen in der Richtung auf die Durchbrechung in der Hohlspiegelanordnung reflektiert wird, d. h., daß die in der -1. Beugungsordnung re­ flektierten Wellenlängen des ersten Strahlbündels, in denen die Detektorvorrichtungen 24 und 26 eine Nachweisempfindlichkeit aufweisen, durch die Durchbrechung der Hohlspiegelanordnung den Polychromator verlassen und nicht mehr als Streulicht oder Falschsignal zum Signal der Detektoren beitragen können. In gleicher Weise wird das aus dem zweiten Spalt 16 austretende Licht des zweiten Strahlbündels an dem Dispersionsspiegel 12 in -1. Beugungsordnung auf den oberen Teilspiegel 20 reflektiert, während die +1. Beugungsordnung des zweiten Strahlbündels in Richtung der Durchbrechung der Hohlspiegelanordnung reflektiert wird und somit den Polychromator verläßt. Somit wird ein Über­ sprechen beider Kanäle vermieden.

Die Optimierung des Zweistrahl-Polychromators, um das oben be­ schriebene Beugungsverhalten zu erzielen, bei dem die uner­ wünschten Ordnungen durch die Durchbrechung in der Hohlspiegel­ anordnung den Polychromator verlassen, kann im wesentlichen aus der Gittergleichung hergeleitet werden. Für eine bestimmte Wellenlänge λ gilt für die Beugung in die m-te Ordnung eines Reflexionsgitters, in der sich die an den jeweiligen reflek­ tierenden Gitterstreifen des Reflexionsgitters reflektierten Teillichtstrahlbündel konstruktiv überlagern, die folgende Gleichung:

m λ = t (sin ε + sin Q),

wobei t der periodische Abstand zweier benachbarter Gitter­ streifen ist, ε der Einfallswinkel und 4, den Winkel darstellt, den das in die m-te Beugungsordnung reflektierte Strahlbündel der Wellenlänge λ mit der Oberflächennormalen des Gitters ein­ schließt. Diese Gleichung gilt für den Achsenstrahl im Zentrum des Gitters allgemein, also auch für ein Konkavgitter.

Bei nicht auf der Achse liegenden Strahlbündeln gilt diese Gleichung für ein paralleles Strahlbündel, das auf ein ebenes Gitter einfällt. Diese Betrachtung ist aber auch auf ein Kon­ kavgitter anwendbar, auf das ein von einer Punktlichtquelle ausgehendes divergentes Einfallsstrahlbündel trifft, wobei im wesentlichen der Krümmungsradius des Konkavgitters dem doppel­ ten Abstand der Punktlichtquelle von der Gitteroberfläche ent­ spricht. Eine derartige Anordnung entspricht der Aufstellung eines Konkavgitters im "Rowland-Kreis".

Bei einer geeigneten Anordnung des Eintrittsspalts 24 in bezug auf die optische Achse 18 und das Dispersionsgitter 12 wird ein Nutzwellenlängenbereich von ca. 200 nm bis 800 nm über den unteren Teilspiegel 22 auf die Detektorvorrichtung 24 abge­ bildet. Da die Detektorvorrichtung 24 in einem Wellenlängen­ bereich ab ca. 1.000 nm nicht mehr empfindlich ist, ist es für einen genauen Meßvorgang unschädlich, wenn aus dem Eintritts­ spalt 14 austretendes und in der falschen, d. h. in der -1. Beu­ gungsordnung gebeugtes Licht in einem Wellenlängenbereich von 1.000 nm und mehr auf die Detektorvorrichtung 24 fällt. Daher ist die Anordnung des Polychromators 10 so zu optimieren, daß Licht der Wellenlänge 200 nm der gewünschten Beugungsordnung gerade am inneren Rand des Teilspiegels 22 auftrifft, und Licht mit längeren Wellenlängen in der gewünschten 1. Beugungsordnung in den daran anschließenden Bereichen des unteren Teilspiegels 22 auftrifft, während für die nicht gewünschte -1. Beugungs­ ordnung des aus dem Eintrittsspalt 14 austretenden Lichts erst Wellenlängen ab 1.000 nm und höher auf den oberen Teilspiegel 20 fallen. Damit erhält man eine Bedingung zur Auslegung und Dimensionierung des Systems, da die Gittergleichung in 1. Ord­ nung für eine Wellenlänge von 200 nm zu demselben Beugungs­ winkel führen soll wie für die -1. Beugungsordnung bei einer Wellenlänge von 1.000 nm. Man erhält somit die folgende Glei­ chung:

Ψ₂₀₀ = arc sin (2 × 10^-4 × g + sin ε) = Ψ_1.100 = arc sin (1,1 × 10^-3 × g - sin ε),

wobei g = 1/t die inverse Gitterkonstante ist.

Daraus erhält man eine Bedingung für ε, d. h. den Einfallswinkel des Hauptstrahls auf das Dispersionsgitter relativ zur op­ tischen Achse.

Die Bestimmung des Einfallswinkels aus der obigen Bedingung legt den seitlichen Versatz des ersten Eintrittsspalts 14 gegen die optische Achse 18 fest. Dadurch ist auch die Größe der Durchbrechung in der reflektierenden Hohlspiegelanordnung vor­ geschrieben.

Da der optische Strahlengang in der gezeigten Ausführungsform für das durch den zweiten Eintrittsspalt 16 eintretende zweite Strahlbündel symmetrisch zum ersten Strahlbündel sein soll, ist aus der Bedingung für die Lage des ersten Eintrittsspalts 14 auch die Position des zweiten Eintrittsspalts 16 automatisch mitbestimmt. Das aus dem zweiten Eintrittsspalt 16 austretende zweite Strahlbündel trifft auf das Gitter 12 unter einem Winkel -ε bezüglich der optischen Achse 18 und wird unter einem Winkel -Ψ in die +1. Beugungsordnung gebeugt. Aufgrund der bekannten Symmetrie der Sinusfunktion mit sin(-ε) = -sinε wird die Beu­ gung des zweiten Strahlbündels gemäß der obigen Beugungsvor­ schrift daher als Beugung in die -1. Ordnung interpretiert.

Aufgrund der nichtkonstanten Lineardispersion des Gitters ist es vorteilhaft, den Einfallswinkel ε auf das Gitter etwas größer zu wählen, beispielsweise um ca. 15%, als aus der obigen Bedingung errechnet wird.

Wie im vorhergehenden beschrieben wurde, ist durch die Opti­ mierung des Einfallswinkels der ersten und zweiten Strahlbündel auf das Gitter 12 sichergestellt, daß jeweils für das erste und zweite Strahlbündel die nichtgewünschte Ordnung, die zur Nutz­ ordnung komplementär ist, im wesentlichen durch die Durchbre­ chung der Hohlspiegelanordnung den Polychromator verläßt und dadurch kein störendes Hintergrundsignal auf den jeweils zuge­ ordneten Detektorvorrichtungen 24 und 26 hervorruft. Zusätzlich wäre es jedoch noch möglich, den die Detektorvorrichtung er­ reichenden Wellenlängenbereich durch einen Filter einzuschrän­ ken. Dadurch ließen sich beispielsweise Strahlbündel aus der störenden falschen Beugungsordnung in einem Randwellenlängen­ bereich, die mit Strahlbündel einer wesentlich kürzeren Wellen­ länge aus der gewünschten Nutzbeugungsordnung zusammenfallen, aus der die Detektorvorrichtung erreichenden Lichtintensität entfernen. Als Filter eignet sich ein Bandenfilter (Glasfil­ ter), das über den Detektorelementen ab 600 nm angebracht ist, um insgesamt einen Wellenlängenbereich von 200 bis 800 nm durchlassen.

Neben der gewünschten Nutzbeugungsordnung, das ist die +1. Beugungsordnung für das aus dem Eintrittsspalt 14 austretende erste Strahlbündel, und der dazu komplementären Beugungsord­ nung, also der -1. Ordnung, treten zusätzlich noch höhere und niedrigere Ordnungen auf. Die 0. Ordnung, die den bekannten herkömmlichen Reflexionsgesetzen folgend an dem Gitter 12 re­ flektiert wird, wird auf die Positionen 41 und 31 jeweils auf den Detektorvorrichtungen 24 und 26 für das erste und zweite Strahlbündel fokussiert. Die scharfe Abbildung des jeweiligen Eintrittsspalts in 0. Ordnung auf der Detektorvorrichtung ist jedoch räumlich von der polychromatischen Abbildung in der ge­ wünschten Nutzbeugungsordnung getrennt, so daß hierbei keine störenden Überlagerungseffekte entstehen, da die 0. Ordnung auf die nicht sensitive Fläche fällt.

In der Fig. 2 ist der Beugungswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge für verschiedene Beugungsordnungen bei Beugung an einem Gitter mit sin²-Profil dargestellt. Das der Berechnung zugrundeliegende Reflexionsgitter weist eine Gitterkonstante von 600 Linien pro Millimeter bei einer Amplitude der Furchen von 88 nm auf. Der Einfallswinkel des einfallenden polychroma­ tischen Strahlbündels beträgt 10°. Die Kurve 51 stellt den re­ lativen Beugungswirkungsgrad in Abhängigkeit von der Wellen­ länge in 0. Beugungsordnung dar. Die Kurven 52 und 53 stellen jeweils den wellenlängenabhängigen relativen Beugungswirkungs­ grad für die +1. und -1. Beugungsordnung dar. Die Kurven 54 und 55 stellen jeweils den wellenlängenabhängigen Beugungswirkungs­ grad für die +2. und -2. Ordnung dar. Die Kurven 56 und 57 stellen jeweils den wellenlängenabhängigen relativen Beugungs­ wirkungsgrad für die +3. und -3. Beugungsordnung dar. Die Wir­ kungsgrade für höhere Beugungsordnungen sind vernachlässigbar klein und daher nicht in der Grafik dargestellt. Wie sich aus der Fig. 2 ablesen läßt, weist neben der 0. Ordnung, die auf­ grund der räumlichen Trennung auf den jeweiligen Detektorvor­ richtungen zu keiner störenden Überlagerung führt, noch die je­ weils +1. und -1. und +2. und -2. Ordnung in dem nutzbaren Wellenlängenbereich von 200 bis 800 nm eine beträchtliche In­ tensität auf, während die +3. und -3. Beugungsordnung bei 200 nm nur noch einen relativen Beugungswirkungsgrad von etwa 0,5% besitzt und bei 300 nm bereits auf nahezu 0% abgefallen ist.

Die +2. und -2. Beugungsordnung weist gemäß den Kurven 54 und 55 in einem Wellenlängenbereich von 200 bis 500 nm einen rela­ tiven Wirkungsgrad von ca. 2%-0,5% auf. Da bei vorgegebenem Einfallswinkel die +2. Beugungsordnung für eine gegebene Wellenlänge in dieselbe Richtung gebeugt wird wie die +1. Beu­ gungsordnung der doppelten Wellenlänge, überlagert sich der Wellenlängenbereich von 200 bis 500 nm der +2. Beugungsordnung dem Wellenlängenbereich von 400 bis 1.000 nm der +1. Beugungs­ ordnung. Dies hat zur Folge, daß auf eine bestimmte Stelle der Detektorvorrichtung , beispielsweise ein Element einer Dioden­ zeile, Licht einer bestimmten Wellenlänge aus der ersten Beu­ gungsordnung und ein weiterer kleiner Anteil von Licht der hal­ ben Wellenlänge aus der +2. Beugungsordnung einfällt.

Eine solche Überlagerung von Licht unterschiedlicher Wellen­ längen aus unterschiedlichen Beugungsordnungen ist in der Regel nicht erwünscht. Eine Abhilfemöglichkeit wird durch eine ge­ eignete Oberflächenstruktur des Gitters geschaffen, um die ge­ wünschten Beugungsordnungen zu bevorzugen und die nichtge­ wünschten Beugungsordnungen zu unterdrücken. In der Fig. 3 ist ein Laminargitter 212 im Querschnitt gezeigt, bei dem die höheren geradzahligen Beugungsordnungen unterdrückt sind. Das in der Fig. 3 der Einfachheit halber als ebenes Gitter gezeigte Laminargitter 212 weist reflektierende Stege 216 auf, die auf einem Substrat 214 angebracht sind. Die Stege 216, die eine im wesentlichen rechteckige Querschnittsform aufweisen, besitzen eine gleiche Breite wie zwischen den Stegen 216 liegende, nicht reflektierende Gitterfurchen 218. Die Breite der Stege 216 bzw. der Gitterfurchen 218 weist somit genau die halbe Gitterkon­ stante auf.

In der Fig. 4 ist eine Darstellung des relativen Beugungswir­ kungsgrads in Abhängigkeit von der Wellenlänge für verschiedene Beugungsordnungen eines in der Fig. 3 gezeigten Laminargitters gezeigt. Das der Berechnung zugrundeliegende Laminargitter weist eine Furchendichte von 600 Linien pro Millimeter mit einer Profiltiefe von 75 nm auf. Die Breite der reflektierenden rechteckigen Stege ist gleich der Breite der dazwischenliegen­ den Gitterfurchen. Die Kurve 61 in der Fig. 4 stellt den wel­ lenlängenabhängigen relativen Beugungswirkungsgrad der 0. Beu­ gungsordnung dar. Die Kurven 62 und 63 stellen jeweils den re­ lativen Beugungswirkungsgrad der +1. und -1. Beugungsordnung dar. Die Kurven 66 und 67 stellen jeweils den relativen Beu­ gungswirkungsgrad der +3. und -3. Ordnung dar. Der Beugungs­ wirkungsgrad für die +2. und -2. Beugungsordnung beträgt über den gesamten dargestellten Wellenlängenbereich 0% und ist somit in der Fig. 4 nicht dargestellt. Aus der Fig. 4 läßt sich somit erkennen, daß die zweite Beugungsordnung im wesentlichen vollständig unterdrückt ist, so daß es zu keiner störenden Überlagerung mit den Lichtstrahlbündeln der entsprechenden dop­ pelten Wellenlänge aus der ersten Beugungsordnung kommen kann. Lediglich die dritte Beugungsordnung, die in einem Wellen­ längenbereich von 200 bis etwa 500 nm einen relativen Wirkungs­ grad von 0,1 bis 0,5% aufweist, kann zu einer Überlagerung in einem Wellenlängenbereich von 600 bis 1.500 nm der ersten Beu­ gungsordnung beitragen.

Eine weitere Möglichkeit zur Ausschaltung der Überlagerungs­ effekte von Strahlbündeln unterschiedlicher Wellenlängen aus unterschiedlichen Beugungsordnungen wird durch das in der Fig. 5 gezeigte Reflexionsgitter 312 mit einem Gitterblaze geschaf­ fen. Das ebenfalls der Einfachheit halber auf einem ebenen Sub­ strat 320 ausgebildete Reflexionsgitter 312 weist Furchen auf, die im Querschnitt ein Sägezahnprofil darstellen. Jede Gitter­ furche weist dabei eine Hauptreflexionsfläche 322 auf, deren Oberflächennormale 316 einen sog. Blazewinkel α mit der Ober­ flächennormalen 314 des darunterliegenden Substrats 320 ein­ schließt. Weiter weist jede Gitterfurche eine zweite, an die Hauptreflexionsfläche 322 anschließende Fläche 324 auf. Durch ein derartiges Gitter 312 mit Gitterblaze, bei dem für eine Wellenlänge ein in einer bestimmten Beugungsordnung gebeugtes Lichtstrahlbündel gleichzeitig die Bedingung für die normale spekulare Reflexion an der Hauptreflexionsoberfläche 322 er­ füllt, kann der Beugungswirkungsgrad für eine bestimmte Beu­ gungsordnung, beispielsweise im Probenkanal, zuungunsten eines anderen Kanals, beispielsweise des Referenzkanals, angehoben werden. Damit läßt sich zum einen das vorher genannte Problem der Überlagerung von verschiedenen Wellenlängen aus verschiede­ nen Beugungsordnungen überwinden. Andererseits bietet sich da­ durch die Möglichkeit, beispielsweise das bei Durchgang durch eine Absorptionszelle abgeschwächten Probenstrahlbündel gegen­ über dem Referenzstrahlbündel zu bevorzugen, so daß Referenz­ strahlbündel und Probenstrahlbündel jeweils wieder mit ver­ gleichbaren Intensitäten von den beiden Detektorvorrichtungen nachgewiesen werden. Dadurch wird insbesondere eine Verbesse­ rung des Polychromators in bezug auf das Rauschen erreicht.

Während im vorhergehenden der Polychromator in einer Ausfüh­ rungsform beschrieben wurde, bei der die +1. Beugungsordnung als Nutzbeugungsordnung für das Probenstrahlbündel und die 1. Beugungsordnung als Nutzbeugungsordnung für das Referenzstrahl­ bündel verwendet wurde, könnte, insbesondere bei Verwendung eines Gitters mit Gitterblaze, auch eine andere Beugungsordnung als Nutzbeugungsordnung, beispielsweise die +2. Beugungsordnung für das Probenstrahlbündel, verwendet werden.

Der erfindungsgemäße Zweistrahl-Gitterpolychromator eignet sich besonders gut für die üblichen Küvetten bei der Flüssigkeits­ chromatographie, da sich das Öffnungsverhältnis des auf das Dispersionsgitter divergent auftreffenden Probenstrahlbündels gut an die Küvetten bzw. an die numerische Apertur von Licht­ wellenleitern anpassen läßt. Ein solcher Polychromator eröffnet auch eine Einsatzmöglichkeit in der Kontrolle eines kontinuier­ lich ablaufenden Prozesses.

Der Polychromator kann ein thermisch gut isoliertes, verkapsel­ tes Gehäuse aufweisen, um thermische Effekte durch Veränderung in der Umgebungstemperatur weitgehend auszuschließen.

Claims (14)

1. Zweistrahl-Polychromator mit einem reflektierenden Disper­ sionsgitter (12), einem ersten Eintrittsspalt (14) für ein erstes Strahlbündel, einem zweiten Eintrittsspalt (16) für ein zweites Strahlbündel und einer ersten und zweiten Detektorvor­ richtung (24, 26) zum jeweils simultanen Nachweisen eines Spek­ trums des an dem Dispersionsgitter gebeugten ersten und zweiten Strahlbündels, dadurch gekennzeichnet, daß dem Dispersions­ gitter (12) eine eine Durchbrechung aufweisende Hohlspiegelan­ ordnung gegenüberliegt, durch die die an dem Dispersionsgitter gebeugten Strahlbündel auf die erste und zweite Detektorvor­ richtung fokussierbar sind, und daß die von dem ersten und zweiten Eintrittsspalt kommenden Strahlbündel jeweils durch die Durchbrechung hindurch auf das Gitter einstrahlbar sind.

2. Zweistrahl-Polychromator nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Dispersionsgitter (12) ein Konkavgitter ist, auf das das erste und zweite Lichtstrahlbündel jeweils diver­ gent einfallen.

3. Zweistrahl-Polychromator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste und zweite Eintrittsspalt derart bezüglich des Dispersionsgitters angeordnet sind, daß die posi­ tive oder negative erste Beugungsordnung des ersten Strahlbün­ dels und die entsprechende inverse erste Beugungsordnung des zweiten Strahlbündels jeweils auf die erste und zweite Detek­ torvorrichtung fallen und die entsprechenden anderen ersten Ordnungen des ersten und zweiten Strahlbündels den Polychroma­ tor durch die Durchbrechung im wesentlichen verlassen.

4. Zweistrahl-Polychromator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Eintritts­ spalt und die erste und zweite Detektorvorrichtung in einer senkrecht zur Richtung der Gitterfurchen verlaufenden Disper­ sionsebene liegen.

5. Polychromator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß die optische Anordnung des Polychro­ mators im wesentlichen symmetrisch zu einer das Dispersions­ gitter (12) unter einem rechten Winkel durchstoßenden optischen Achse (18) ist.

6. Zweistrahl-Polychromator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsgitter (212) ein Laminargitter mit im wesentlichen eine rechteckige Querschnittsform aufweisenden reflektierenden Stegen (216) und Furchenlücken (218) gleicher Breite ist.

7. Zweistrahl-Polychromator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsgitter (312) einen Gitterblaze zur Verstärkung einer gewünschten Beugungsordnung aufweist.

8. Zweistrahl-Polychromator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Dispersionsgitter ein holo­ graphisches Gitter ist.

9. Zweistrahl-Polychromator nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Detektorvor­ richtung (24, 26) jeweils unter einem Winkel zu den Strahlbün­ deln der 0. Ordnung des ersten und zweiten Strahlbündels ange­ ordnet sind.

10. Zweistrahl-Polychromator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und zweite Detektorvorrichtung (24, 26) jeweils ein erstes und zweites Diodenarray umfassen.

11. Zweistrahl-Polychromator nach Anspruch 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste und zweite Diodenarray jeweils ein gleiches thermisches und elektrooptisches Verhalten aufweisen.

12. Zweistrahl-Polychromator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine thermisch isolierende Kapselung vorgesehen ist.

13. Zweistrahl-Polychromator nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der ersten und zweiten Detektorvorrichtung jeweils nur einen bestimmten Wellenlängen­ bereich durchlassende erste und zweite Filter vorgesehen sind.

14. Zweistrahl-Polychromator nach Anspruch 13, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das erste und zweite Filter Glasfilter enthalten, die über der Detektorvorrichtung angebracht sind, so daß ein Wellenlängenbereich von 200-800 nm transmittiert wird und an­ grenzende Wellenlängenbereiche abgeblockt werden.