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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zum Beugen
von Licht sowie ein entsprechendes optisches System und ein optisches Gerät.
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Der
Anwendungsbereich der Erfindung betrifft sowohl die Messungen von
Wellenlängen,
die an monochromatischen Lichtstrahlen durchgeführt werden, als auch die Streuung
polychromatischer Strahlen, zum Beispiel in einem Monochromator.
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Der
Einsatz von Beugungsgittern zum Beugen des Lichts ist allgemein
bekannt. Daher sendet man im ultravioletten Bereich unter Vakuum
(Wellenlängen über 0,6
nm) oder VUV herkömmlich
einen einfallenden Strahl unter streifendem Einfall auf ein Beugungsgitter,
und man fängt
einen zurückgeworfenen
Strahl für
eine gegebene Beugungsgrößenordnung
gemäß einem
Beugungswinkel auf, der dem Gesetz der Gitter (Fresnel-Beugung)
entspricht. Die verwendeten Gitter, zum Beispiel für eine VUV-Synchrotronstrahlung,
sind typisch durch ionisches Gravieren oder Walzen in Werkstoffe,
wie zum Beispiel Silizium oder SiC-CVD, graviert.
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Der
Bereich der Wellenlängen,
der von solchen Gittern gedeckt werden kann, ist jedoch nach unten
beschränkt.
In der Tat sinkt das Reflexionsvermögen bei konstantem Einfallswinkel
mit der Wellenlänge.
Eine zufrieden stellende Effizienz der Beugung kann daher über 0,6
nm nur schwer erzielt werden.
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Für Beugungen
bei geringeren Wellenlängen,
wendet man andere Systeme, wie zum Beispiel Beugungskristalle an.
Bei einem solchen Kristall, der eine gegebene Entfernung zwischen
Gitterebenen hat, werden die einfallenden Strahlen gemäß dem Gesetz
von Bragg gebeugt. Der verwendbare Wellenlängenbereich ist nach oben durch
die Entfernung zwischen den Gitterebenen begrenzt, und er ist ferner
durch die Tatsache eingeschränkt,
dass der Winkelbereich im Allgemeinen aus praktischen Gründen zwischen
5° und 85° liegt. Für einen
orientierten Siliziummonokristall (111), bei dem das Doppelte
der Entfernung zwischen Gitterebenen gleich 0,627 nm ist, variiert
der Wellenlängenbereich
zwischen 0,055 nm und 0,625 nm.
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Ferner
kann man Bragg-Reflektoren durch Stapeln von dünnen Schichten auf einem Substrat herstellen.
Sie beugen das Licht auch gemäß dem Gesetz
von Bragg. In weiterer Folge wird ein Kristall oder eine Stapelung
von Schichten auf einem Substrat Bragg-Reflektor genannt.
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Um
daher einen Wellenlängenbereich
zu decken, der zum Beispiel zwischen 0,1 nm und 2 nm liegt, muss
man zwei völlig
getrennte Vorrichtungen und Durchführungen heranziehen, wobei
eine davon es erlauben kann, im VUV (Beugungsgitter) zu arbeiten,
und die andere im Röntgenstrahlenbereich
(Beugungskristall). Es erweist sich nun aber in bestimmten Fällen als
nützlich,
in einem Bereich zu arbeiten, der diese beiden Bereiche deckt, zum
Beispiel für
einen Monochromator, der einen Synchrotronstrahl empfängt.
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Das
Dokument D1: Souvovov et al., Acoustic Excitation of the circular
Bragg-Fresnel lens in backscattering geometry, Applied Physics Letter,
Band 70, Nr. 7, 17. Februar 1997, S. 829–831, offenbart eine Bragg-Fresnel-Linse.
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Die
Erfindung betrifft ein optisches Verfahren zum Beugen von Licht,
das ein Beugungsgitter anwendet, das es erlaubt, einen erweiterten
Spektralbereich zu decken, der sich zum Beispiel vom Ultravioletten
unter Vakuum bis zu Röntgenhartstrahlen erstreckt.
Genauer genommen macht das erfindungsgemäße optische Messverfahren mittels
einer einzigen Vorrichtung und einfach sowie wirtschaftlich eine
Berücksichtigung
von Wellenlängen
möglich,
die von 0,1 nm bis 20 nm oder mehr gehen.
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Die
Erfindung betrifft auch ein optisches System und ein optisches Messgerät mit den
oben genannten Vorteilen.
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Zu
diesem Zweck hat die Erfindung ein optisches Messverfahren zur Aufgabe,
bei welchem:
- – man mindestens einen einfallenden
Lichtstrahl, der mindestens eine Wellenlänge hat, auf eine Fläche eines
optischen Systems, das eine Senkrechte nach einer Richtung hat,
die einen Einfalls winkel zur Senkrechten bildet, sendet, wobei das optische
System einen Bragg-Reflektor und ein Gitter aufweist, wobei das
Gitter auf der Fläche des
Bragg-Reflektors graviert ist, und
- – man
nach dem Beugen der einfallenden Strahlen durch das optische System
mindestens einen Strahl auffängt,
der von dem optischen System gemäß einer
Beugungsrichtung zurückgeworfen wird,
die einen Beugungswinkel zu der Senkrechten bildet.
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Erfindungsgemäß sind die
Wellenlängen
und der Einfallswinkel mindestens eines der einfallenden Strahlen
derart, dass dieser einfallende Strahl durch den Bragg-Reflektor
und/oder durch das Gitter gebeugt wird.
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Der
Bragg-Reflektor, auf dem das Gitter aufgraviert ist, wird daher
direkt für
das Beugen bei kleinen Wellenlängen
verwendet.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
gestattet daher eine Trennung der Fresnel-Beugungen (auf dem Gitter)
und der Bragg-Beugungen (in dem Bragg-Reflektor) und erlaubt so
ein doppeltes Funktionieren im VUV-Bereich (Gitter) und im Bereich der Röntgenstrahlen
(Bragg-Reflektor).
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
erlaubt es daher, das Messprotokoll beachtlich zu vereinfachen und
eine kleinere Ausstattung zu haben.
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Für diesen
von dem Bragg-Reflektor gebeugten einfallenden Strahl:
- – ist
der Bragg-Reflektor vorteilhafterweise ein Kristall,
- – liegt
der Einfallswinkel vorteilhafterweise zwischen 5° und 80° und/oder
- – betragen
die Wellenlängen
vorteilhafterweise zwischen 0,1 nm und 0,7 nm.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform
besteht der Kristall aus einem orientierten Siliziummonokristall
(111), und das Gitter ist direkt auf diesem Kristall aufgraviert.
Ein derartiges Substrat erweist sich zum Erfüllen der doppelten Beugungsfunktion Kristall
und Gitterbeugung als besonders geeignet.
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Das
Gitter ist vorteilhafterweise mit einer Metallschicht bedeckt. Dadurch
steigert man die Effizienz des Gitters.
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Vorzugsweise
sind die Wellenlängen
und der Einfallswinkel mindestens eines anderen der einfallenden
Strahlen derart, dass dieser einfallende Strahl von dem Gitter gebeugt
wird.
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Man
führt daher
die doppelte Funktion des optischen Systems durch: Beugen durch
den Kristall und Beugen durch das Gitter.
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Für diesen
anderen einfallenden, von dem Gitter gebeugten Strahl:
- – ist
der Einfallswinkel vorteilhafterweise gleich 70° und/oder
- – liegen
die Wellenlängen
des anderen einfallenden Strahls vorzugsweise zwischen 0,6 nm und 150
nm.
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Bei
einer ersten Ausführungsform
des Verfahrens sind die einfallenden Strahlen Strahlen polychromatischen
Lichts. Man wendet daher das Verfahren vorteilhafterweise in einem
Monochromator an, wobei das optische System als dispergierendes
Element dient, auf das ein Auswahlschlitz folgt.
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Bei
einer zweiten Ausführungsform
des Verfahrens sind die einfallenden Strahlen Strahlen monochromatischen
Lichts. Man kann daher das optische System als primäres Eichmaß für das Messen von
Wellenlängen
verwenden.
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Die
Erfindung betrifft auch ein optisches System, das einen Bragg-Reflektor umfasst.
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Erfindungsgemäß weist
es ein auf dem Bragg-Reflektor aufgraviertes Beugungsgitter.
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Vorteilhafterweise
ist der Bragg-Reflektor ein Kristall, und der Kristall besteht aus
einem Siliziummonokristall.
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Dieses
optische System erlaubt es, das erfindungsgemäße Verfahren anzuwenden.
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Die
Erfindung hat auch ein optisches Messgerät zur Aufgabe, das Folgendes
umfasst:
- – ein
erfindungsgemäßes optisches
System,
- – Beleuchtungsmittel
der Fläche
des optischen Systems mittels mindestens eines einfallenden Lichtstrahls,
- – Mittel
zum Auffangen mindestens eines durch das optische System zurückgeworfenen
Strahls nach dem Beugen der einfallenden Strahlen durch das optische
System, und
- – Mittel
zum relativen Drehen des optischen Systems zu den einfallenden Strahlen.
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Die
Erfindung gilt auch für
den Einsatz des erfindungsgemäßen Verfahrens
oder des erfindungsgemäßen Geräts zum primären Eichen
für die
Messung von Wellenlängen
(monochromatischer Lichtstrahl) oder zum Beugen in einem Monochromator oder
Spektrographen (polychromatischer Lichtstrahl).
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Die
vorliegende Erfindung wird mittels der folgenden Beispiele der Ausführung und
Anwendung, die in keiner Weise einschränkend sind, und unter Bezugnahme
auf die nachfolgenden Zeichnungen besser verständlich. In den Zeichnungen
zeigen:
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1 ein
Wirkbild, das ein in dem erfindungsgemäßen Verfahren verwendetes optisches System
darstellt (wobei die Maßstäbe aus Gründen der
Sichtbarkeit nicht eingehalten sind);
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2 ein
Profil einer Modulation, gemessen mit einem Tunneleffektmikroskop
(STM), die auf einem optischen System aufgezeichnet wurde, um ein erfindungsgemäßes optisches
Messverfahren anzuwenden;
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3 ein
Prinzipbild der Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Messverfahrens
im Beugungskristallmodus;
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4 ein
Prinzipbild der Anwendung des erfindungsgemäßen optischen Messverfahrens
in einem Beugungsgittermodus;
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5 für das optische
System in 2 und im Beugungskristallmodus,
das Reflexionsvermögen in
Abhängigkeit
vom Unterschied des Einfallswinkels mit dem Bragg-Winkel für eine Wellenlänge gleich 0,154
nm;
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6 für das optische
System in 2 und im Beugungsgittermodus,
die Effizienz in Abhängigkeit
vom Einfallswinkel für
die Größenordnungen
1 und –1
für eine
Wellenlänge
gleich 1,33 nm;
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7 für das optische
System in 2 und im Beugungsgittermodus,
die Effizienz in Abhängigkeit
vom Einfallswinkel für
die Größenordnungen
1 und –1
für eine
Wellenlänge
gleich 1,55 nm, und
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8 eine
optische Messvorrichtung, die zum Anwenden eines erfindungsgemäßen optischen Messverfahrens
verwendet wird.
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Ein
optisches System 1 (1) umfasst
einen Bragg-Reflektor 2 und ein Gitter 3, das
auf dem Substrat des Bragg-Reflektors 2 auf einer Fläche 8 des
optischen Systems 1 aufgraviert ist. Das Gitter 3 ist
mit einer Metallschicht 4 abgedeckt, die zum Beispiel aus
einer Schicht von 10 nm Gold besteht.
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Der
Bragg-Reflektor 2 besteht vorteilhafterweise aus einem
Monokristall aus orientiertem Silizium (111). Er ist mit
einem Gefällefehler
von einigen Zehnteln einer Bogensekunde und mit einer Rauheit von
einigen Å superpoliert.
Dieses Polieren erlaubt das Funktionieren des optischen Systems 1 in
streifender Reflektion für
einen Einsatz im ultravioletten Bereich unter Vakuum, bei dem eine
Beugung durch das Gitter 3 angewandt wird.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform
ist der Bragg-Reflektor 2 eine Stapelung von Schichten. Er
kann selbst auf einem Substrat aufgebracht sein.
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Das
Beugungsgitter 3 wird zum Beispiel durch holographische
Aufzeichnung und ionisches Bearbeiten aufgeschrieben. Es umfasst
Striche 5 (2), die zum Beispiel eine Tiefe
von weniger als 10 nm haben, was daraus ein sehr wenig moduliertes Gitter
macht. Das Profil des Gitters 3 kann durch Tunneleffektmikroskopie
in Höhe
(Gravurtiefe), Breite und Länge
(jeweils die Achsen 11, 12 und 13, in
nm) erzielt werden. Die Dichte N der Striche des Gitters 3 pro
Millimeter ist zum Beispiel gleich 1200.
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Für die Striche 5,
können
verschiedene Formen (sinuswellenförmig, dreieckig, in Lücken) und verschiedene
Dichtengesetze (konstant oder veränderlich) verwendet werden.
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Man
verwendet das optische System 1, um einen Spektralbereich
zu decken, der sich von Ultraviolett unter Vakuum bis zu Röntgenhartstrahlen
erstreckt. Gemäß einer
ersten Ausführungsform (3)
sendet man einen einfallenden Strahl 21 mit einer Wellenlänge kleiner
als 0,6 nm auf die Fläche 8. Da
das optische System 1 eine Senkrechte 20 zu der Fläche 8 hat,
bildet der einfallende Strahl 21 zu dieser Senkrechten
einen Winkel α und
zu den Gitterebenen 6 des Bragg-Reflektors 2 (das
heißt
im vorliegenden Fall zu der Fläche 8)
einen Winkel θ.
Der Winkel α liegt
vorzugsweise zwischen 5° und
80°.
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Das
optische System 1 verhält
sich dabei wie ein herkömmlicher
Beugungskristall, wobei die von dem Bragg-Reflektor 2 gebeugten
Strahlen 22 mit der Senkrechten 20 einen Winkel β gleich dem
Winkel α bilden
(3). Dieses System 1 kann daher insbesondere
als Längenwelleneichmaß oder als
Beugungselement eines Monochromators mit Röntgenstrahlen verwendet werden.
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Das
Fehlen von Störungen
der Bragg-Beugung in dem Bragg-Reflektor 2 durch das Gitter 3 kann
durch die Tatsache erklärt
werden, dass die Tiefe der Striche 5 des Gitters im Vergleich
zur Eindringtiefe des einfallenden Strahls in den Bragg-Reflektor 2 ausreichend
klein ist, wenn dieser einfallende Strahl ausreichend kleine Wellenlängen hat
(insbesondere Röntgenstrahlen).
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Der
abgedeckte Spektralbereich wird von dem Bragg-Gesetz gegeben: λ =
2dsinθworin
d die Entfernung zwischen den Gitterebenen bezeichnet. Derart entspricht
das Zweifache 2d der Entfernung 0,627 nm für den Bragg-Reflektor 2 des Beispiels (Monokristall
aus orientiertem Silizium (111)).
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Da
der Winkel α zwischen
5° und 80° liegt, erstreckt
sich daher der verwendbare Wellenlängenbereich von etwa 0,1 nm
bis 0,625 nm.
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Man
erzielt auch beim Verwenden eines Monokristalls aus orientiertem
Silizium (311) gute Ergebnisse.
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Gemäß einer
zweiten Ausführungsform
lässt man
das optische System 1 in einem Beugungsgitter im ultravioletten
Bereich unter Vakuum funktionieren. Man sendet daher (4)
einen einfallenden Strahl 25 mit einer Wellenlänge größer als
0,6 nm. Dieser einfallende Strahl 25 bildet mit der Senkrechten 20 einen
Winkel α,
der es erlaubt, eine große
Effizienz in der verwendeten Beugungsgrößenordnung zu erzielen, vorteilhafterweise
größer oder
gleich 70°,
so dass diese einfallende Strahlung so gut wie streifend ist. Man
hält daher
eine große
Effizienz aufrecht. Der einfallende Strahl 25 tritt daher
mit dem Beugungsgitter 3 in Wechselwirkung und erzeugt
gebeugte Strahlen 26, die mit der Senkrechten 20 Winkel β bilden, wobei
diese Beugungswinkel β von
der betreffenden Beugungswinkelgrößenordnung abhängen (der
in 4 dargestellte gebeugte Strahl 26 entspricht
zum Beispiel der Größenordnung –1).
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Das
gute Verhalten des optischen Systems 1 für die zwei
Betriebsarten, nämlich
Bragg-Beugung und Fresnel-Beugung, wurde geprüft. Bei den durchgeführten Tests
beträgt
die Dichte der Striche 5 pro Millimeter 1200, und die Tiefe
der Striche 5 ist gleich 7,2 nm.
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Es
wurde daher die Reaktion des optischen Systems für eine gleich bleibende Wellenlänge (0,154
nm) in Abhängigkeit
von dem Einfallswinkel auf einer Röntgenstrahlenröhre mit
einem Goniometer θ–2θ getestet.
Bei einem derartigen Aufbau wird der Detektor, wenn der Einfallswinkel
um Δθ schwankt,
um 2Δθ gedreht,
so dass das Bragg-Gesetz erfüllt
wird. In Abhängigkeit
vom Unterschied des Einfallswinkels zum Bragg-Winkel (der durch
das Bragg-Gesetz in Bogensekunden, Achse 14, gegeben wird),
trägt man
das Reflexionsvermögen
für die Wellenlänge von
0,154 nm ein. Man beobachtet, dass die erzielte Kurve 31 in
mittlerer Höhe
eine Breite kleiner als 20 Bogensekunden hat, wobei das Ergebnis
mit dem gleichwertig ist, das man mit herkömmlichen Siliziumkristallen
erzielt. Das bestätigt den
Einsatz des optischen Systems 1 im Bereich der Röntgenstrahlen.
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Um
die Betriebsart im Beugungsgitter zu testen, wurden aufeinander
folgend zwei monochromatische Strahlen 25 mit zwei unterschiedlichen Wellenlängen gesendet.
Für jeden
der Strahlen wurde die Effizienz des Gitters 3 in der Größenordnung –1 und +1
in Abhängigkeit
vom Einfallswinkel α gemessen. Ferner
wurde der Detektor mit einem solchen Winkel platziert, dass das
Gittergesetz: sinα + sinβ = kNλerfüllt wird, worin k die Brechungsgrößenordnung
bezeichnet, λ die
Wellenlänge
darstellt und N die Anzahl der Striche 5 pro Millimeter
des Gitters 3 ist.
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Man
stellt daher für
die Wellenlänge
von 1,33 nm (6) die Effizienz (das heißt das Verhältnis der Stärke des
gebeugten Strahls 26 zur Stärke des gebeugten Strahls 25,
Achse 17) in Abhängigkeit
vom Einfallswinkel (Achse 16 in Grad) dar. Man erzielt
jeweils für
die Größenordnungen –1 und +1
Punkteeinheiten 41 und 43. Man vergleicht sie
jeweils mit theoretischen Kurven 42 und 44, die
von den Parametern des Gitters 3 ausgehend berechnet werden,
die von den mit dem Tunneleffektmikroskop durchgeführten Messungen
abgeleitet werden. Ebenso trägt
man für eine
Wellenlänge
von 1,55 nm (7) jeweils die Punkteeinheiten 45 und 47 und
die entsprechenden theoretischen Kurven 46 und 48 für die Größenordnungen
von der –1
und +1-Beugung ein.
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Man
stellt fest, dass die erzielten Messungen den theoretischen Kurven
sehr nahe liegen, was das Funktionieren des optischen Systems 1 im
Beugungsgittermodus bestätigt,
wobei dieser die Strahlung mit einer bemerkenswerten Effizienz beugt.
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Man
kann daher das optische System 1 in einem optischen Messgerät (8)
verwenden, das Beleuchtungsmittel 51 der Fläche 8 des
optischen Systems 1 und Mittel zum Auffangen 52 von
Strahlen umfasst, die von dem optischen System 1 nach dem Beugen
einfallender Strahlen zurückgeworfen
werden. Dieses Gerät
umfasst auch Mittel 53 zum relativen Drehen des optischen
Systems in Bezug auf die einfallenden Strahlen, die auf das optische
System 1 und/oder auf die Orientierung der einfallenden
Strahlen 21 oder 25 so einwirken, dass eine relative
Drehung 54 erzeugt wird.
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Man
sendet zum Beispiel mit den Beleuchtungsmitteln 51 einen
monochromatischen Lichtstrahl und orientiert das optische System 1 dank
der Drehmittel 53 zu dem einfallenden Strahl im Kristallbeugungsmodus
(Einfallswinkel α zwischen
5° und 80°) oder im
Gitterbeugungswinkel (Einfallswinkel α vorteilhafterweise größer oder
gleich 70°)
gemäß dem Zugehörigkeitsbereich
der Wellenlänge
des behandelten Strahls. Man geht daher beim Kristallmodus herkömmlich vor
oder beim Gittermodus mit den Auffangmitteln 52.
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Bei
einem anderen Beispiel sind die Beleuchtungsmittel 51 der
Ausgang eines Synchrotrons, das einen polychromatischen Energiestrahl
erzeugt, und das optische System 1 sowie die Auffangmittel 52 werden
daher als Monochromator verwendet. Die Auffangmittel 52 umfassen
insbesondere einen Schlitz zur Auswahl von Wellenlängen. Man wendet
daher je nach der oder den untersuchten Wellenlängen die Vorrichtung im Gitterbeugungsmodus
oder Kristallbeugungsmodus an.