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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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1. Gebiet der Erfindung
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Diese
Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen, die dispersive Volumentransmissionsgitter
umfassen, und insbesondere auf Raman- und/oder Fluoreszenzspektrometer
mit kontinuierlicher Abstimmung der Anregungswellenlänge.
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2. Stand der Technik
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Holographische
Volumentransmissionsgitter werden in einer Vielzahl von Vorrichtungen
verwendet und haben sich über
einen breiten Spektralbereich als hocheffizient erwiesen (siehe
zum Beispiel Tedesco et al.,
US-Patent
Nr. 5,011,284 ). Im Gegensatz zur Situation bei den weit
verbreiteten Reflexions-Oberflächenreliefgittern
sind die Richtungen der einfallenden und effizient gebeugten Strahlen
bei Volumentransmissionsgittern in Bezug auf die Periodizität des Gitters
symmetrisch. In Spektrometern mit Reflexionsgittern kann eine Abstimmung
der Wellenlänge
durchgeführt
werden, indem das Gitter in einer Littrow-ähnlichen Konfiguration gedreht
wird. In George et al.,
US-Patent
Nr. 4,752,130 werden Spektrometer, Monochrometer und andere
Vorrichtungen beschrieben, die Volumentransmissionsgitter verwenden.
Bei den in George et al. beschriebenen Vorrichtungen ist es jedoch
notwendig, mindestens ein Gitter und mindestens einen Spiegel mit
komplexen Vorrichtungen einzeln zu bewegen, um die Richtungen des
gebeugten und/oder einfallenden Strahls, die durch die Bragg-Bedingung bestimmt
werden, aufeinander abzustimmen. Die resultierenden optischen Anordnungen,
die in George et al. beschrieben werden, sind zu sperrig, um signifikante
praktische Anwendungen zu ermöglichen.
Im Handel erhältliche Spektrometer
(z.B. HOLOPROBE, hergestellt von KAISER OPTICAL SYSTEMS, INC.) verwenden stattdessen „Einrastgitter". Andere herkömmliche Gitter
umfassen Stapel von Gittern, um den abgedeckten Spektralbereich
zu ändern.
Solche Vorrichtungen sind nicht praktisch für viele Anwendungen, darunter
Anwendungen zur wissenschaftlichen Forschung, bei denen flexible
Veränderungen
sowohl der Anregungswellenlänge
als auch des Spektralbereichs wesentlich sind.
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Flexible
Veränderungen
der Anregungswellenlänge
und des Spektralbereichs sind zum Beispiel wichtig bei Spektrometern,
die zur Analyse sekundärer
Strahlung verwendet werden, die durch eine Probe unter primärer Anregung
durch einen Laser oder eine andere Strahlungsquelle ausgesendet
wird, wenn es notwendig ist, zwischen Raman- und Fluoreszenzsignalen
zu unterscheiden. Das Raman-Signal
weist im Wesentlichen die gleiche Wellenzahlverschiebung in Bezug
auf die Anregungsfrequenzen auf, während das Lumineszenzsignal
die Positionen der Bänder
auf der Wellenlängenskala
beibehält.
Auf diese Weise wird es durch Messungen mit zwei oder mehr unterschiedlichen
Anregungen möglich,
die Raman- und Fluoreszenzsignale auszusortieren. Darüber hinaus
hängen
in vielen Fällen
die Raman-Intensitäten
auf entscheidende Weise von der Anregungswellenlänge ab (Resonanz-Raman) und
liefern Informationen über
die elektronischen und anderen Eigenschaften der Probe. Ähnliche
Informationen können
aus den Fluoreszenzanregungsspektren gewonnen werden, indem die
Intensität
eines bestimmten Bands als Funktion der Anregungswellenlänge gemessen
wird. Darüber
hinaus ist eine Abstimmung der Wellenlänge in einem breiten Spektralbereich notwendig,
wenn die optischen Eigenschaften von Substanzen gemessen werden,
um ihre elektronischen Eigenschaften zu untersuchen.
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Daher
besteht ein Bedarf nach verbesserten wellenlängenabstimmbaren Vorrichtungen,
wie z.B. verbesserten wellenlängenabstimmbaren
Spektrometern und Spektrographen. Herkömmliche Vorrichtungen, die
zur Messung der Emission-, Absorption- oder Reflexionsspektren in
einem breiten Spektralbereich verwendet werden, sind Spektrographen
mit einem einzigen Gitter mit Oberflächenrelief, die einen CCD-Array-Detektor
umfassen. Obwohl sie für
einige Anwendungen geeignet ist, ist diese Art von herkömmlicher
Vorrichtung groß und
unhandlich, wenn eine hohe spektrale Auflösung, z.B. 0,1 nm oder höher, verlangt
wird, da es notwendig ist, die Brennweite des Spektrographen zu
erhöhen,
wobei sie gewöhnlich
auch einen reduzierten Durchsatz aufweist, der das Ergebnis solcher
physikalischer Einschränkungen
ist.
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Einige
herkömmliche
Spektrographen, die Reflexionsgitter verwenden, besitzen ein sehr
wichtiges Merkmal, das es dem Benutzer erlaubt, den abgedeckten
Spektralbereich (und gleichzeitig die spektrale Auflösung) rasch
ohne jegliche Neuausrichtung zu verändern, wodurch die Kalibrierung
aufrechterhalten wird. Dies wird erreicht, indem zwei oder mehr
Gitter auf derselben Drehaufnahme vorgesehen werden, die durch einen
Computer angetrieben wird. Aktuelle Spektrographen mit Volumengittern
wenden jedoch ein anderes Prinzip an: Sie umfassen entweder Einrastgitter,
oder sie weisen einen Stapel von Gittern auf, welche die Spektren
auf verschiedenen Zeilen des CCD streuen, die in einer Richtung
senkrecht zur spektralen Richtung verschoben sind. Im ersten Fall
ist nach jedem Wechsel des Gitters eine Neukalibrierung erforderlich,
während
es im zweiten Fall zu einem Durchsatzverlust kommt. Für viele
Anwendungen, darunter wissenschaftliche Messungen, ist keines dieser
Verfahren flexibel genug, da eine Veränderung der zentralen Wellenlänge ein
anderes Gitter erfordern würde.
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Auswahlelemente
auf Prismenbasis sind in der Praxis für Wellenhingenauswahlvorrichtungen
in Laserresonatoren und für
Laser-Monochrometer weit verbreitet. Auswahlelemente auf Prismenbasis
weisen eine hohe Transmission auf, und sie sind wellenlängenabstimmbar,
doch aufgrund der sehr begrenzten Streuung sind Prismenfilter für viele
Anwendungen ungeeignet. Im Fall der Raman-Spektroskopie zum Beispiel lecken niederfrequente
Laser-Plasmalinien (unter 100-200 cm–1)
durch das System und erscheinen in den Raman-Spektren als Zacken,
was das nützliche
Raman-Signal maskieren kann. Monochrometer mit Gittern mit Oberflächenrelief
erfüllen
in manchen Fällen
auf adäquate
Weise ihren Zweck, sie besitzen jedoch einige Nachteile. Aberrationen, die
von ihrer sphärischen
Kollimatorspiegeloptik außerhalb
der Achse herrühren,
verursachen signifikante Probleme. So würde die Verwendung von Gittern
mit Oberflächenrelief
im Teil des Systems, das den Laserstrahl liefert (Laserfilter und
Strahlteiler) die Qualität
des Laserspots auf der Probe und in der Folge die räumliche
Auflösung
der Vorrichtung beeinträchtigen.
Der Durchsatz von Gittermonochrometern ist abhängig von der Polarisierung
und der Wellenlänge
und liegt gewöhnlich
nicht über
50%. Gittermonochrometer sind auch voluminös und erfordern im Fall des
doppelten subtrahierenden Monochrometers, das als Laserunterdrückungsstufe
bei herkömmlichen
Raman-Spektrometern verwendet wird, eine genaue und zeitaufwendige
Ausrichtung. Dies gilt auch für
die Verwendung eines Gittermonochrometers als Laserstrahlteiler.
Obwohl Oberflächenrelief-Gitteroptiken bei
einigen spektroskopischen Laser- und Nichtlaseranwendungen verwendet
werden können,
sind sie daher für
Vorrichtungen, die eine rasche Änderung
der Anregung und/oder des Spektralbereichs erfordern, nicht geeignet,
sie sind voluminös und
kompliziert und für
viele Anwendungen nicht ausreichend effizient.
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Im
Fall von Raman-/Fluoreszenz-/Anregungsspektrometern ist es extrem
wichtig, die Anregungsstrahlung herauszufiltern, so dass keine unerwünschte Strahlung
(z.B. Plasmalinien der Ionenlaserröhre) als Störstreifen in den gemessenen
Spektren vorhanden ist. Ein anderes wichtiges Merkmal dieser Vorrichtungen
ist es, eine Möglichkeit
zu bieten, die Anregungsstrahlung in das optische System einzuspeisen
und sodann die Anregungsstrahlung vor der Spektrographenstufe (d.h.
der Analyse des Spektrums) zu unterdrücken. Gegenwärtig sind
verschiedene Typen von Filtern in Gebrauch, um die Laserstrahlung
zu säubern.
Einfache Farbglasfilter sind für
nicht anspruchsvolle Anwendungen wie z.B. die Beobachtung von Flureszenzspektren
oder hochfrequenten Raman-Spektren geeignet. In diesem Fall kann
ein neutraler Strahlteiler zum Einspeisen der Laserstrahlung und
ein Farbglas-Sperrfilter zur Eliminierung der Laserstrahlung vom
Signal verwendet werden. Da Farbglasfilter eine sehr breite Kante
zwischen dem durchgelassenen und dem absorbierten Spektralbereich
aufweisen, ist die Anwendung dieser Konfi guration sehr beschränkt. Inferferenzfilter
und Strahlteiler bieten bei dichroitischen Filtern sowohl vom Kanten-
als auch vom Kerbtyp eine abruptere Kante.
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Es
gibt zwei Typen von Interferenzfiltern: mehrschichtige dünne dielektrische
Filme mit verschiedenen Brechungsindices, die zwischen zwei hochreflektierenden
Schichten aufgetragen sind (d.h. Fabry-Perot-Prinzip) und alternativ
dazu periodische Strukturen mit niedrigem/hohem Brechungsindex, die
durch Laserinterferenz in lichtempfindlichen Materialien erzeugt
werden (d.h. die „holographische" Technik). Im letztgenannten
Fall können,
da der Brechungsindex in Bezug auf die Koordinaten des Mediums leicht
verändert
werden kann, viel plötzlichere Veränderungen
des Transmissions-/Reflexionskoeffizienten mit viel besserer Unterdrückung in
der Nähe der
Anregungswellenlänge
erreicht werden. Dielektrische Interferenzfilter sind in der Raman-Spektroskopie
als Laserlinien-Bandpassfilter
und auch als Signal-Bandpassfilter für Raman-Bildgebung weit verbreitet.
Dielektrische Interferenzfilter können auch als stufenförmige Kurzpass-
und Langpasstypen hergestellt werden, um die Laseranregung durchzulassen und/oder
zu unterdrücken,
doch aufgrund ihrer relativ langen Nachläufe bei der Transmission kann
keine ausreichende Unterdrückung
für die
Raman-Spektroskopie
erzielt werden, und der niederfrequente Spektralbereich bleibt unerreichbar.
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Holographische
Filter (Volumengitter) bieten eine viel bessere Leistung als dielektrische
Filter. Es gibt zwei Haupttypen von Volumengittern: nämlich Transmissionshologramme
mit konformer Reflexion und mit nicht geneigten Streifen, die sich
durch die Ausrichtung der Streifen in Bezug auf ihre jeweiligen Oberflächen unterscheiden.
(Siehe Tedesco et al., Principles and Spectroscopic Applications
of Volume Holographic Optics, Analytical Chemistry, 65, 441A-449A
(1993)). Der erste Volumengittertyp ist nichdispersiv und in der
Praxis als Kerbfilter bis zu O.D. 6 weit verbreitet. Nichtdispersive
Volumengitter weisen im Vergleich zu Filtern vom dielektrischen
Interferenztyp eine hervorragende Leistungsfähigkeit auf. (Siehe Yang et
al., Holographic Notch Filter for Low wavenumber Stokes and Anti-Stokes
Raman Spectroscopy, Applied Spectroscopy, 45, 1533-1536 (1991);
und Schoen et al., Performance of Holographic Supernotch Filter,
Applied Spectroscopy, 47, 305-308 (1993)). Ein nichtdispersives
Volumengitter wurde auch als Laserstrahlteiler in Da Silva et al.,
US-Patent Nr. 5,661,557 verwendet.
Die spektrale Position der Kerbe hängt vom Einfallswinkel ab und kann
durch die Drehung des Filters derart eingestellt werden, dass die
Laserwellenlänge
mit dem Spektralbereich der minimalen Transmission übereinstimmt,
wobei das Filter jedoch gegenüber
einem möglichst
geringen Teil des Raman-Signals durchlässig ist. Die Verwendung eines
Kerbfilters als Strahlteiler ist gewöhnlich auf eine Anregungswellenlänge beschränkt, da
seine Verwendung für
die nächste
Anregungswellenlänge
(z.B. des Argonionenlasers) eine Drehung des Kerbfilters um einen
großen
Winkel erfordern würde,
so dass er unpraktisch wird. Solche herkömmlichen Vorrichtungen erfordern
daher einen Austausch des Kerbfilters bei jeder Änderung der Anregungswellenlänge.
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Andere
Vorrichtungen für
spektroskopische Anwendungen sind in
US
3,600,093 ,
US 4,732,476 ,
JP 11337420 ,
US 5,504,576 und
US 4,697,924 offenbart.
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Ein
zweiter Typ eines holographischen Gitters ist ein dispersives Element
(Volumenbeugungsgitter). Angesichts der oben beschriebenen Probleme
schafft die vorliegende Erfindung daher neue und verbesserte Vorrichtungen,
die dispersive Volumenbeugungsgitter verwenden.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist ein Zweck der vorliegenden Erfindung, Vorrichtungen zu schaffen,
die dispersive Volumentransmissionssgitter für spektroskopische Anwendungen
umfassen, die kompakt sind.
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Ein
anderer Zweck dieser Erfindung ist es, Vorrichtungen zu schaffen,
die dispersive Volumentransmissionsgitter in Vorrichtungen umfassen,
die effizient und bequem wellenlängenabstimmbar
sind.
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Ein
anderer Zweck dieser Erfindung ist es, ein Raman-Spektrometer zu
schaffen, das effizient und kompakt ist und bequem auf Anregungswellenlängen abstimmbar
ist.
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Eine
optische Vorrichtung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in Anspruch 1 dargelegt. Eine bevorzugte Ausführungsform
dieser Erfindung betrifft ein Spektrometer, das eine Beleuchtungsstrahlungsquelle
und einen dispersiven Strahlteiler umfasst, der in einem optischen
Lichtpfad ausgehend von der Beleuchtungsstrahlungsquelle angeordnet
ist. Der dispersive Strahlteiler ist abstimmbar, um eine ausgewählte Wellenlängenkomponente
der Beleuchtungsstrahlung von der Beleuchtungsstrahlungsquelle zu streuen.
Insbesondere umfasst der dispersive Strahlteiler gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung eine wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung,
die ein Dispersions-Volumenbeugungsgitter
und einen Spiegel umfasst, die gemeinsam im Wesentlichen als Einheit
um eine gemeinsame Drehachse drehbar sind. Das Spektrometer umfasst
auch ein optisches Bandpassfilter, das zwischen der Beleuchtungsquelle
und dem dispersiven Strahlteiler angeordnet ist. In einer zweiten
bevorzugten Ausführungsform
eines Spektrometers gemäß der Erfindung
ersetzt ein Monochrometer das optische Bandpassfilter der ersten
bevorzugten Ausführungsform.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Diese
und andere Zwecke und Vorteile der Erfindung können besser erkannt und gewürdigt werden
durch die folgende kurze Beschreibung der gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen
der Erfindung, die gemeinsam mit den beiliegenden Zeichnungen zu
lesen ist, wobei:
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1 eine
schematische Darstellung eines Spektrometers gemäß einem ersten bevorzugten Beispiel
ist, in der ein optisches Bandpassfilter, ein wellenlängenabstimmbarer
dispersiver Strahlteiler und ein Spektrograph dargestellt sind;
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2 eine
schematische Darstellung ist, die die allgemeinen Konzepte einer
wellenlängenabstimmbaren
Streuungsanordnung gemäß einem
Beispiel erklärt;
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3 eine
schematische Darstellung eines anderen Beispiels einer wellenlängenabstimmbaren Streuungsanordnung
gemäß einem
Beispiel ist;
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4A die
experimentelle Transmission der in 3 dargestellten
wellenlängenabstimmbaren Streuungsanordnung
mit einem von KAISER OPTICAL SYSTEMS, INC. hergestellten Dispersion-Volumenbeugungsgitter
HLBF-514 für
zwei verschiedene Einfallswinkel zeigt, die zwei Linien des Argonionenlasers
entsprechen;
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4B die
berechnete Transmission des in 3 dargestellten
Gitters bei der Winkelposition zeigt, die der grünen Linie des Argonionenlasers (514,5
nm) mit zwei verschiedenen Lichtpolarisierungen entspricht;
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5 die
berechnete Effizienz als Funktion des Einfallswinkels mit zwei verschiedenen
Lichtpolarisierungen des in 3 dargestellten
holographischen Volumengitters zeigt;
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6A-6D schematische
Darstellungen einer bevorzugten Ausführungsform des Spektrographen
mit einem Gitterdrehtisch sind, die verschiedene Ausrichtungen der
wellenlängenabstimmbaren
Streuungsanordnungen in Bezug auf das einfallende Licht zeigen;
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7 den
experimentell gemessenen Extinktionswert des Kerbfilters HNSF-514 von KAISER OPTICAL
SYSTEMS, INC. als Funktion des Einfallswinkels, gemessen für zwei Linien
des Argonionenlasers in verschiedenen Polarisierungen zeigt;
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8 die
Transmissionsspektren des Kerbfilters von 7 für zwei optimale
Winkelpositionen zeigt, die jeweils den beiden Linien des Argonionenlasers
entsprechen;
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9 eine
schematische Darstellung eines zweiten Beispiels eines Spektrometers
ist, das ein Monochrometer umfasst;
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9A eine
schematische Darstellung eines dritten Beispiels eines Spektrometers
ist, in dem ein doppeltes Monochrometer mit Streuungssubtraktion als
Sperrfilter für
die primäre
Beleuchtungsstrahlung dient;
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10 die
berechnete Effizienz für
ein Dispersion-Volumenbeugungsgitter als Funktion der Wellenlänge und
des Einfallswinkels für
zwei Lichtpolarisierungen zeigt; und
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11 die
berechnete Effizienz für
das Dispersion-Volumenbeugungsgitter als Funktion der Wellenlänge für zwei Lichtpolarisierungen
zeigt.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 ist
eine schematische Darstellung eines ersten Beispiels eines Spektrometers,
das allgemein mit dem Bezugszeichen 20 bezeichnet wird. Das
Spektrometer 20 umfasst eine Beleuchtungsstrahlungsquelle 21,
die einen Beleuchtungsstrahl aus elektromagnetischer Strahlung 22 erzeugt,
ein optisches Bandpassfilter 24, ein Raumfilter 26,
einen optischen Strahlteiler 28, ein Mikroskop 30,
eine Probenregion 32, ein Sperrfilter 34 und einen
Spektrographen 36. In dem Beispiel weist mindestens ein Element,
gewählt
aus dem Bandpassfilter 24, dem Strahltei ler 28,
dem Sperrfilter 34 oder dem Spektrographen 36 ein
Dispersions-Volumenbeugungsgitter auf,
das mit einer mechanischen Anordnung verbunden ist, die in Bezug
auf einen einfallenden Strahl der elektromagnetischen Strahlung
beweglich ist. Vorzugsweise weist jedes der Elemente, nämlich das
optische Bandpassfilter 24, der Strahlteiler 28,
das Sperrfilter 34 und der Spektrograph 36 ein
Dispersion-Volumenbeugungsgitter auf, das mit einer mechanischen
Anordnung verbunden ist, so dass jedes in Bezug auf einen einfallenden
Strahl der elektromagnetischen Strahlung beweglich ist. Derzeitige
Anwendungen sehen eine Verwendung des Spektrometers 20 mit
einer elektromagnetischen Strahlung vor, die sich über den
ultravioletten, sichtbaren und infraroten Bereich des Spektrums
erstreckt. Der hier verwendete Begriff „Licht" ist nicht nur auf das sichtbare Licht beschränkt, sondern
deckt im umfassenden Sinn das ultraviolette, sichtbare und infrarote
Licht ab.
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In
den Beispielen ist der Strahlteiler 28 ein dispersiver
Strahlteiler, der in einem optischen Lichtpfad ausgehend von der
Beleuchtungsstrahlungsquelle 21 angeordnet ist. Der dispersive
Strahlteiler 28 ist ein wellenlängenabstimmbarer Strahlteiler,
der ein Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 aufweist, das
in einer im Wesentlichen feststehenden Ausrichtung und Verschiebung
in Bezug auf einen Spiegel 40 gehalten wird. In den Beispielen
sind die Dispersions-Volumenbeugungsgitter
im Wesentlichen flache Platten aus optischem Material, die periodische
Verteilungen umfassen, die eine Beugung bewirken und die zwischen
optischem Material wie zum Beispiel Glas eingefügt sind. In einigen Anwendungen
ist das beugende Material zwischen flachen Glasstücken eingefügt, während das
beugende Material in anderen Anordnungen zwischen Prismenelementen
eingefügt
ist, wie dies in 1 dargestellt ist. Vorzugsweise
weist der Spiegel 40 eine ebene Oberfläche 42 auf, so dass
eine Ebene 44, die im Wesentlichen mit der ebenen Oberfläche 42 des
Spiegels 40 zusammenfällt,
eine Ebene 46 schneidet, die im Wesentlichen mit der Längsrichtung
des Beugungsgitters zusammenfällt.
Vorzugsweise sind der Spiegel 40 und das Dispersions- Volumenbeugungsgitter 38 im
Wesentlichen in Bezug zueinander feststehend und um eine Drehachse 48 drehbar.
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In
dem Beispiel fällt
die Drehachse 48 im Wesentlichen mit der Schnittlinie der
Ebenen 44 und 46 zusammen. Die in 1 dargestellten
Ebenen 44 und 46 sind mathematische Konstrukte,
die dazu dienen, den Spiegel 40 in Bezug auf das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 und
in Bezug auf ihre gemeinsame Drehachse 48 auszurichten.
In dem in 1 dargestellten Beispiel sind
der Spiegel 40 und das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 voneinander
getrennt. In anderen Beispielen können der Spiegel 40 und
das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 so
angeordnet sein, dass sie bei der Drehachse 48 in physischen
Kontakt miteinander kommen.
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Der
Spiegel 40 und das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 sind
an einem Aufnahmehalter 50 montiert. Eine wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung,
umfassend den Spiegel 40, das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 und
den Aufnahmehalter 50, sind so ausgestaltet und relativ zu
einer Lichteintrittsöffnung 54 angeordnet,
dass der Spiegel 40 und das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 in
Bezug auf einen Lichtstrahl drehbar sind, der durch die Lichteintrittsöffnung 54 dringt.
Die Lichteintrittsöffnung 54 kann
einfach ein Bereich im Raum sein, den ein einfallender Strahl durchquert,
oder sie kann aus einer Öffnung
und/oder anderen optischen Komponenten wie z.B. einem Fenster und/oder
Linsen gebildet sein. Auf die gleiche Weise umfasst der wellenlängenabstimmbare
dispersive Strahlteiler 28 eine Lichtaustrittsöffnung 56,
die ein Raumbereich sein kann, den ein ausfallender Strahl durchquert, oder
sie kann darüber
hinaus eine Öffnungsblende, ein
Fenster und/oder Linsen umfassen.
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In
dem Beispiel weist der Aufnahmehalter 50 eine ebene Oberfläche auf,
an welcher der Spiegel 40 und das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 befestigt
sind. Vorzugsweise ist die Ebene 44, die mit der im Wesentlichen
flachen Oberfläche 42 des
Spiegels 40 zusammenfällt,
im Wesentlichen rechtwinklig zur O- berfläche des Aufnahmehalters 50.
Auf die gleiche Weise ist die Ebene 46, die im Wesentlichen mit
einer flachen Oberfläche
des Dispersions-Volumenbeugungsgitterelements 39 zusammenfällt oder parallel
dazu ist, im Wesentlichen senkrecht zur Oberfläche des Aufnahmehalters 50.
In dem Beispiel ist der Aufnahmehalter 50 ein Tisch, der
um die Drehachse 48 des Spiegels 40 und des Dispersions-Volumenbeugungsgitters 38 drehbar
ist. Der drehbare Tisch 50 ist operativ mit einer Antriebsanordnung
verbunden, die einen Antriebsmotor oder eine handbetriebene Betätigungsvorrichtung
umfasst, der bzw. die den Aufnahmehalter 50 veranlasst,
sich um die Achse 48 zu drehen (in den Figuren nicht dargestellt). In
dem Beispiel umfasst die Antriebsanordnung einen Antriebsmotor,
der operativ mit dem Aufnahmehalter 50 verbunden ist. Eine
geeignete Anordnung weist einen Schrittmotor auf, der direkt mit
einer Achse verbunden ist, die mit einer Unterseite des Aufnahmehalters 50 gekoppelt
ist, um selektiv um die Drehachse 48 gedreht zu werden.
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Im
Betrieb tritt elektromagnetische Strahlung wie z.B. ultraviolettes,
sichtbares und/oder infrarotes Licht durch die Lichteintrittsöffnung 54 ein,
so dass es auf dem Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 auftrifft.
Elektromagnetische Strahlung mit der „abgestimmten" Wellenlänge wird
vom Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 zum
Spiegel 40 hin gestreut. Die auf dem Spiegel 40 auftreffende
elektromagnetische Strahlung wird reflektiert, um durch die Lichtaustrittsöffnung 56 zu
gelangen. Der Lichtfortbewegungsweg ist für die „abgestimmte" Wellenlänge umkehrbar.
Anders ausgedrückt,
wird Licht mit der „abgestimmten" Wellenlänge, das
durch die Austrittsöffnung 56 eintritt,
vom Spiegel 40 reflektiert und durch das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 gestreut,
um durch die Eintrittsöffnung 54 auszutreten. Licht
hingegen, das nicht die „abgestimmte" Wellenlänge aufweist
und durch die Austrittsöffnung 56 eintritt,
wird durch den Spiegel 40 reflektiert und gelangt durch
das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38, ohne
in erheblichem Maß gestreut
zu werden. Auf diese Weise kann der dispersive Strahlteiler 28 verwendet
werden, um Licht mit einer Beleuchtungs-Wellenlänge auf eine jenseits der Lichtaustrittsöffnung 56 befindliche
Probe hin zu richten und um reflektiertes und elastisch gestreutes
Licht von einem Messungslichtstrahl zu trennen, der durch das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 dringt.
Zum Beispiel bei der Raman-Spektroskopie wird das Licht inelastisch
gestreut, wodurch es entweder eine längere oder eine kürzere Wellenlänge als
die Beleuchtungsstrahlung aufweist. Der dispersive Strahlteiler 38 erfüllt somit
den doppelten Zweck, entlang dem Einfallpfad die geeignete „abgestimmte" Lichtwellenlänge zu einer
Probe hin zu richten und entlang dem Rückwärtspfad das Licht mit der Beleuchtungs-Wellenlänge von
anderen Wellenlängen
zu trennen.
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2 ist
eine schematische Darstellung, die dabei hilft, das allgemeine Konzept
der in 1 dargestellten wellenlängenabstimmbaren Streuungsanordnung 52 zu
erklären.
Kollimiertes Licht trifft mit einem Winkel 13 in der Luft
auf dem Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' auf. Das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' ist zwischen
ebenen, parallelen Glasplatten und nicht zwischen zwei 45°-Glasprismen
angeordnet, wie dies bei dem Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 in 1 dargestellt
ist. In diesem Beispiel weist das Gittermuster Streifen auf, die
in Bezug auf die ebenen Oberflächen der
ebenen, parallelen Glasplatten im Wesentlichen nicht geneigt (d.h.
senkrecht zu der ebenen Oberfläche)
sind. Das gebeugte Licht breitet sich im Wesentlichen symmetrisch
in Bezug auf die Gitterebene aus, wobei die Bragg-Bedingung aufrechterhalten
wird, d.h. 2sin(β) = ?Nwobei ? die Wellenlänge des
einfallenden Lichts und N die Dichte der Streifen des Gitters ist.
Diese Beziehung spezifiziert die zentrale Wellenlänge, die
beim Einfallswinkel 13 effizient gebeugt wird. Der Winkel 13 ist
der Winkel zwischen der Richtung der einfallenden Strahlung und
der Normalen zur Gitterebene. Um die Wellenlänge abzustimmen, werden das
Gitter 38' und
der Spiegel 40' gemeinsam
in Bezug auf die Drehachse 48' gedreht. Der Einfallswinkel an
der neu en gedrehten Position ist β +
dβ. Infolgedessen wird
die Richtung des gebeugten Strahls um 2 × dβ abgelenkt. Der ebene Spiegel 40' ist mit einem
Winkel a in Bezug auf das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' befestigt.
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In 2 sind
der Spiegel 40' und
das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' als in physischem Kontakt befindlich
dargestellt, und zwar im Gegensatz zu 1, wo die
mathematischen Konstrukte der Ebenen 44 und 46 verwendet
wurden, um die Ausrichtung des Spiegels 40 auf das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 zu
demonstrieren. Die Drehachse 48' ist im Wesentlichen senkrecht
zum einfallenden Strahl, wobei ein willkürlicher Strahl 58 des einfallenden
Lichtstahls um eine Distanz D von der Drehachse verschoben ist (d.h.
um die Länge
einer Linie, die senkrecht zum willkürlichen Strahl 58 und zur
Drehachse 48' ist).
Der willkürliche
Strahl 58 wird durch das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' gebeugt, was
zu einem gestreuten Strahl 60 und einem reflektierten Strahl 62 führt, der
vom Spiegel 40' reflektiert
wird. Der reflektierte Strahl 62 durchläuft den Punkt A, d.h. eine
Distanz OA ausgehend vom Ursprungspunkt O auf der Drehachse 48', wobei die Strecke
OA parallel zum willkürlichen
Strahl 58 ist. Die Distanz OA ist OA
= D/sin(2a)wobei a der Winkel zwischen dem Spiegel 40' und dem Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' ist. Die Distanz
OA ist unabhängig
von der Wellenlänge.
Für den
speziellen Fall a = 90° wird
der reflektierte Strahl 62 um eine Distanz D von der Drehachse
ausgehend von der anderen Seite in Bezug auf den einfallenden Strahl 58 verschoben.
Dieser Fall ist in 3 für ein Dispersions-Volumenbeugungsgitter
dargestellt, das zwischen zwei identischen rechtwinkligen Prismen mit
fünfundvierzig
Grad eingeschlossen ist.
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Der
Strahl, der das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38' passiert und
vom Spiegel 40' reflektiert
wird, bildet einen Winkel ? = 180° – 2a relativ zum
ursprünglichen
ungebeugten Strahl, was ebenfalls wellenlängenunabhängig ist.
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Dies
beweist folglich, dass eine gemeinsame Drehung des Dispersions-Volumenbeugungsgitters 38' und des Spiegels 40' als eine Einheit
um die Drehachse 48' die
Richtung und Position des gebeugten und reflektierten Strahls 62 nicht
verändert. Hingegen ändert sich
die Wellenlänge
des gebeugten Strahls 62 aufgrund der Veränderung
des Einfallswinkels in Bezug auf das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38'.
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Licht
mit einer Wellenlänge
?', die geringfügig über oder
geringfügig
unter der Wellenlänge
liegt, die die Bragg-Bedingung erfüllt, wird das System mit anderen
Winkeln als die oben genannten verlassen und kann bestimmt werden
durch sinβ' = ?'N – sinβ,was
wellenlängenabhängig ist.
Auf diese Weise wird sich ein den Pfad 58 entlangbewegender
Lichtstrahl mit der Wellenlänge
?', der die Bragg-Bedingung nicht
erfüllt,
nicht auf den Pfaden 60 und 62 fortbewegen.
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2 veranschaulicht
die allgemeinen Konzepte der wellenlängenabstimmbaren Streuungsanordnung
mit speziellem Bezug auf das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38', das zwei parallele, ebene
Glasplatten aufweist. Die oben beschriebenen allgemeinen Prinzipien
können
auf Dispersions-Volumenbeugungsgitter
angewendet werden, die zwischen beliebigen Prismen eingeschlossen
sind, die in Bezug auf die Gitterebene symmetrisch sind.
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3 zeigt
das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 und den Spiegel 40 genauer.
Rechtwinklige Prismen 64 und 66 mit fünfundvierzig
Grad schließen
das Dispersion-Volumenbeugungselement 39 ein, um ein würfelförmiges Dispersi ons-Volumenbeugungsgitterelement 39 zu
bilden. Die periodische angeordneten Gitterstreifen in dem Dispersion-Volumenbeugungsgitterelement 39 sind
im Beispiel von 3 im Wesentlichen senkrecht
zu den nächstgelegenen
Flächen
der Prismen 64 und 66. Allgemein können die
Streifen des Dispersions-Volumenbeugungsgitterelements 39 in
Bezug zu den nächstgelegenen
Flächen
der Prismen 64 und 66 andere Winkel als 90° aufweisen,
doch in dem Fall, dass die Streifen parallel zu den nächstgelegenen
Flächen
der Prismen 64 und 66 sind, ist das Beugungsgitter
ein nichtdispersives Beugungsgitter. Die Verwendung von optischen
Prismen mit Brechungsindices größer als
1 ermöglicht
es, eine erhöhte
Streifendichte N für
das Beugungsgitter zu erreichen, da der Einfallswinkel in dem Medium
erhöht
wird. In diesem Fall wird die Bragg-Bedingung für einen annähernd normalen Einfall in Bezug
auf die Würfeloberfläche 2sinβ =
?N/n,wobei n der Brechungsindex des Materials des Prismas ist.
Dies setzt voraus, dass der Brechungsindex des Materials des Prismas
nahe dem durchschnittlichen Brechungsindex des Materials des Dispersion-Volumenbeugungsgitters
ist. β ist
wiederum der Einfallswinkel in der Luft. Wie dies oben mit Bezug auf 2 beschrieben
wurde, verändert
die gemeinsame Drehung des Dispersions-Volumenbeugungsgitters 38 und
des Spiegels 40 um eine Drehachse 48 weder die
Richtung noch die Position des gebeugten Strahls, während sie
die Abstimmung der zentralen Wellenlänge ? des Durchlassbereichs
erlaubt.
-
Die
Drehung des Aufnahmehalters 50 veranlasst den Spiegel 40 und
das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 dazu, sich gemeinsam
im Wesentlichen als eine Einheit um die Drehachse 48 zu
drehen (siehe 1), was zu einer „Abstimmung" der Wellenlänge führt, die
die Bragg-Bedingungen erfüllt. Wenn
man also die Wellenlänge
des Beleuchtungslichts verändert,
das durch die Eintrittsöffnung 54 eintritt,
so dreht man auch den Aufnahmehalter 50, um den Strahlteiler
auf die neue Beleuchtungs-Wellenlänge abzustimmen. Das Licht,
das durch die Eintritts öffnung 54 eintritt,
tritt weiterhin durch dieselbe Austrittsöffnung 56 aus, und
das Licht, das einem Rückwärtspfad
folgt und durch die Austrittsöffnung 56 eintritt,
bewegt sich entweder zurück
durch die Eintrittsöffnung 54 oder
passiert das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38 im Wesentlichen
ungestreut, wobei dies abhängig
von seiner Wellenlänge
relativ zur abgestimmten Wellenlänge
ist.
-
Die
Lichtquelle 21 wird in Abhängigkeit von den gewünschten
Beleuchtungs-Wellenlängen gewählt. Es
ist eine Vielzahl an Lichtquellen verfügbar, die verwendet werden
können,
wie z.B. verschiedene Laser oder Gasentladungslampen. Eine Vielzahl
an spektralen Wellenlängen
kann in dem durch die Quelle erzeugten Licht vorhanden sein und
durch Filterung ausgewählt
werden, wie dies bei Gasentladungslampen der Fall ist. Alternativ
kann ein abstimmbarer Laser verwendet werden, um Licht mit einer
ersten ausgewählten
Beleuchtungs-Wellenlänge zu erzeugen,
wobei er sodann abgestimmt werden kann, um Licht mit einer anderen
Beleuchtungs-Wellenlänge
zu erzeugen.
-
Das
optische Bandpassfilter 24 umfasst eine wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 68, welche die gleiche Konstruktion
wie die wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 52 des dispersiven Strahlteilers 28 in
einem Beispiel aufweist. Das optische Bandpassfilter 24 umfasst
eine Lichteintrittsöffnung 70 und
eine Lichtaustrittsöffnung 72. Die
wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 68 weist ein Dispersions-Volumenbeugungselement 74 auf,
das im Wesentlichen in der Ausrichtung und Verschiebung in Bezug
auf einen Spiegel 76 feststehend ist. Das Dispersions-Volumenbeugungselement 74 und
der Spiegel 76 sind im Wesentlichen gemeinsam als Einheit
in Bezug auf eine Drehachse 78 drehbar. In dem Beispiel
weist die wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 68 einen Aufnahmehalter 80 auf,
an dem das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 74 und
der Spiegel 76 auf die gleiche Weise wie der dispersive
Strahlteiler 28 montiert sind. Eine Antriebsanordnung ist
operativ mit dem Aufnahmehalter 80 verbunden, um den Aufnahmehalter 80 um
die Drehachse 78 zu drehen, wodurch das Dispersions-Volumenbeugungsgitterelement 74 und
der Spiegel 76 gemeinsam im Wesentlichen als Einheit um
die Drehachse 78 gedreht werden. Die Antriebsanordnung
kann so konstruiert sein, dass sie mechanisch unabhängig vom
dispersiven Strahlteiler 28 ist, oder sie kann mechanisch
an die Antriebsanordnung des dispersiven Strahlteilers 28 gekoppelt sein.
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In
dem Beispiel umfasst die Austrittsöffnung 72 des optischen
Bandpassfilters 24 eine Öffnungsblende 82 und
eine Sammellinse 84. Das Dispersions-Volumenbeugungsgitterelement 74 streut
das durch die Lichteintrittsöffnung 70 eintretende
Licht 22 in einer Brennebene der Linse 84 in das
Spektrum, aus dem es gebildet ist. Die in der Brennebene der Linse 84 angeordnete Öffnungsblende 82 erlaubt
es nur dem Licht eines schmalen Spektralbereichs, durch sie durchzutreten.
Das Raumfilter 26 umfasst die Öffnungsblende 82,
die Linse 84 und eine Linse 86, womit sie Komponenten
mit dem optischen Bandpassfilter 24 teilt. Die Linse 86 ist
eine Sammellinse, die eine längere
Brennweite als die Linse 84 aufweist. In der Brennebene
der Öffnungsblende 82 wird ein
räumliches
Filtern durchgeführt,
wobei die Kombination der Linsen 84 und 86 zu
einem erweiterten kollimierten Ausfallsstrahl führt, wobei die Linse 86 derart
angeordnet ist, dass die Brennpunkte der Linsen 86 und 84 im
Wesentlichen zusammenfallen.
-
Die
allgemeinen Grundsätze
der wellenlängenabstimmbaren
Streuungsanordnung 68 des optischen Bandpassfilters 24 sind
die gleichen wie jene des dispersiven Strahlteilers 28.
Die Lichteintrittsöffnung 70 und
die Lichtaustrittsöffnung 72 bleiben
während
der Abstimmung des optischen Bandpassfilters 24 feststehend,
während
der Aufnahmehalter 80 gedreht wird, wodurch das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 74 und
der Spiegel 76 veranlasst werden, sich im Wesentlichen
als Einheit in Bezug auf eine Drehachse 78 zu drehen. Die
wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 68 wird in eine Position in Bezug auf
den eintretenden Lichtstrahl 22 gedreht, um ihn auf den
gewünschten
Durchlassbereich abzustimmen. Um ihn auf einen anderen Durchlassbereich
abzustimmen, wird die wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 68 in eine andere Position in Bezug
auf das einfallende Licht 22 gedreht. Das optische Bandpassfilter 24 kann
verwendet werden, um eine im Wesentlichen monochromatische Lichtquelle
wie z.B. einen Laser zu säubern
oder ein Band aus einer Lichtquelle auszuwählen, die eine Vielzahl von
Wellenlängen
aufweist. In einem Beispiel, bei dem ein im Wesentlichen monochromatischer
Laser verwendet wird, wird das optische Bandpassfilter 24 abgestimmt,
um den Durchlassbereich an die Wellenlänge des Lasers anzupassen,
was zu einer Unterdrückung
der Plasmalinien führt,
wodurch das Beleuchtungslicht gesäubert wird.
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Die
experimentelle Transmission durch das optische Bandpassfilter 24 und
das Raumfilter 26, wobei das Bandpassfilter 24 jeweils
auf die beiden Argonionenlaserlinien abgestimmt ist, wird in 4A dargestellt.
Das Dispersions-Volumenbeugungsgitter ist
ein HLBF-514 von KAISER OPTICAL SYSTEMS, INC. Die Breite des Durchlassbereichs
des optische Bandpassfilters 24 wird durch die Winkelstreuung des
Volumengitters und die geometrischen Parameter des Raumfilters,
wie z.B. die Brennweite der Linse 84 und die Breite der Öffnung 82 bestimmt
und hängt nicht
in entscheidendem Maß von
der Wellenlänge ab.
Die Transmission der Filterstufe hängt in entscheidendem Maß von der
Polarisierung des Strahls ab. 4B zeigt
die berechnete Transmission für das
Gitter von 3 bei der Winkelposition, die
der grünen
Linie des Argonionenlasers (514,5 nm) entspricht. Die Dichte der
Streifen des Gitters ist N = 4.150 Streifen/mm, der durchschnittliche
Brechungsindex des Mediums ist n = 1,5, die Modulation des Brechungsindex
ist ? n = 0,025, und die Dicke des Gitters ist d = 70 μm. Die Verwendung
eines zwischen zwei 45°-Prismen
eingeschlossenen Volumengitters ermöglicht die Bildung eines Gitters
mit einer außergewöhnlich schmalen
Kerbe im Transmissionsspektrum (Linienbreite < 100 cm–1),
während
die sekundären
Kerben wesentlich weniger ausgeprägt sind (4B).
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5 zeigt
die theoretische Transmission des Filters für p-polarisiertes und für s-polarisiertes Licht
als Funktion des Einfallswinkels ? = β--45°. Die Dichte der Streifen des
Gitters ist N = 4.300 Streifen/mm, der durchschnittliche Brechungsindex
ist n = 1,5, die Modulation des Brechungsindex ist ? n = 0,025,
und die Di cke des Gitters ist d = 70 μm. Die theoretische Transmission
für p-polarisiertes
Licht ist über
einen großen
Wellenlängenbereich
hinweg beinahe 1, und die theoretische Transmission für s-polarisiertes
Licht ist sehr gering, mit einem Minimum bei der Wellenlänge, die β = 45° entspricht.
Da die meisten Ionen- und Festkörperlaser
polarisierte Strahlung erzeugen, würde dies eine Übereinstimmung
der Polarisierung des ausgestrahlten Lasers und des Durchlassbereichs
erfordern. Aufgrund der starken Streuung des Volumengitters und
seiner in hohem Maß wellenlängenselektiven
Beugung wird gewöhnlich
ein hohes Ausmaß der
Unterdrückung
unerwünschter
Strahlung (z.B. Plasmalinien) erzielt. Wie aus 5 ersichtlich
ist, ist das optische Bandpassfilter in einem breiten Spektralbereich
abstimmbar, ohne Durchsatz zu opfern. Ein solches optisches Bandpassfilter
weist einen im Wesentlichen wellenlängenunabhängigen und schmalen Durchlassbereich
(siehe 4A) und eine hohe Transmission (siehe 5)
auf, womit ein qualitativ hochwertiges optisches Bandpassfilter
vorliegt, das über
einen breiten Spektralbereich abstimmbar ist.
-
Das
optische Bandpassfilter 24 und der wellenlängenabstimmbare
dispersive Strahlteiler 28 weisen ähnliche Strukturen auf und
können
gleichzeitig auf jede Wellenlänge
um eine zentrale Wellenlänge abgestimmt
werden, die durch die Dichte der Streifen des Volumengitters bestimmt
wird. Um die Wellenlänge
in einem breiten Spektralbereich abzustimmen, der z.B. dem Spektralbereich
eines Argonionenlaserstrahls entspricht, ist eine Drehung von nur
etwa ± 8° erforderlich
(siehe 5). Dies führt
zu einer äußerst praktischen
Filterstufe, die mäßige Abmessungen der
Volumengitter und Spiegel aufweist. Die Abstimmung der Wellenlänge erfordert
gewöhnlich
keine Neuausrichtung des optischen Systems. Im Fall des wellenlängenabstimmbaren
dispersiven Strahlteilers 28 wird vorgezogen, ein Volumengitter
zu verwenden, das so konstruiert ist, dass es eine einem Einfallswinkel
von β =
45° entsprechende
zentrale Wellenlänge
aufweist, die nicht mit einer möglicherweise verwendeten
Laserwellenlänge
zusammenfällt.
Ansonsten würde
unerwünschte
reflektierte und gestreute Strahlung auf den Eingang des Spektrographen
gerichtet, was zum Auftreten von falschen spektralen Merkmalen führt. Die
Erfinder stellten fest, dass auch die Anordnung eines Spiegels in
einer Brennebene des Mikroskops 30 noch zu keinen Plasmalinen
führte,
die in einem messbaren Teil des Raman-Spektrums (größer als
80 cm–1)
beobachtet werden.
-
Der
Spektrograph 36 (1) umfasst
eine Eintrittsöffnung 88,
einen Detektor 90, der in einer im Wesentlichen feststehenden
Position und Ausrichtung in Bezug auf die Öffnung 88 angeordnet
ist, und eine wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 92. Der Spektrograph 36 umfasst
auch eine Kollimatorlinse 94, die die elektromagnetische
Strahlung kollimiert, die durch die Eintrittsöffnung der Öffnungsblende 88 in
den Spektrographen 36 eintritt. Der Spektrograph 36 umfasst
eine Fokussierungslinse 96, die das gestreute Licht auf
den Detektor 90 fokussiert. Vorzugsweise sind die Linsen 94 und 96 achromatische,
schnelle Kameralinsen. Obwohl die Linsen 94 und 96 schematisch
als einzelne Linsenelemente dargestellt sind, kann jede von ihnen
eine zusammengesetzte Linse sein. Die Brennweiten der Linsen 94 und 96 werden
in Abhängigkeit
von der gewünschten
spektralen Auflösung
und vom gewünschten
Durchsatz gewählt.
Die in 1 dargestellte wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung 92 ist ähnlich konstruiert
wie die wellenlängenabstimmbaren
Streuungsanordnungen 52 und 68 des wellenlängenabstimmbaren
dispersiven Strahlteilers 28 bzw. des optischen Bandpassfilters 24.
Die wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 92 umfasst ein Dispersions-Volumenbeugungsgitter 98 und
einen Spiegel 100. Das Dispersions-Volumenbeugungsgitter
ist ähnlich
dem Dispersions-Volumenbeugungsgitter 38', das detaillierter
in 2 dargestellt ist. Im Gegensatz zu 2 gelangen
der Spiegel 100 und das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 98 nicht
in physischen Kontakt miteinander, sie können dies jedoch tun, wenn
dies gewünscht
wird. Das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 98 und
der Spiegel 100 weisen im Wesentlichen feststehende Ausrichtungen
und Verschiebungen in Bezug zueinander auf und sind im Wesentlichen
gemeinsam als Einheit um eine Drehachse 102 drehbar.
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In
dem Beispiel bietet die Öffnungsblende 88 eine
Eintrittsöffnung
mit einer Breite, die variiert werden kann, um eine gewünschte Eintrittsöffnungsbreite
auszuwählen.
In dem Beispiel bietet die Öffnungsblende 88 eine
schlitzförmige Öffnungsblende,
die einen Eintrittsschlitz für
den Spektrographen 36 darstellt, wobei sie auch eine räumliche
Filterung ermöglicht.
Alternativ kann die räumliche
Filterung ermöglicht
werden, indem die Öffnungsblende
bei jedem anderen dazwischenliegenden Brennpunkt entlang dem Strahlungspfad
von der Probe zum Detektor angeordnet wird. Der Detektor 90 ist
in dem Beispiel ein zweidimensionaler bilderzeugender Detektor wie
z.B. ein zweidimensionales bilderzeugendes CCD-Array.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
des Spektrographen 36 wird die wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung 92 durch
einen Gitterdrehtisch 104 ersetzt, der eine Vielzahl von
Dispersion-Volumenbeugungsgittern aufweist (6A-6D).
Der in 6A-6D dargestellte
Gitterdrehtisch 104 umfasst zwei auswählbare wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnungen 106 und 108. Der Gitterdrehtisch 104 ist
jedoch nicht auf nur zwei wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnungen
beschränkt.
Das in 6A-6D dargestellte
Konzept kann leicht extrapoliert werden, so dass es drei, vier oder
mehr auswählbare
wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnungen umfasst. Die wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung 106 umfasst
ein Dispersions-Volumenbeugungsgitter 110 und
einen Spiegel 112, die im Wesentlichen in der Ausrichtung
und Verschiebung in Bezug aufeinander feststehend sind und gemeinsam
im Wesentlichen als Einheit drehbar sind, und zwar auf ähnliche Weise,
wie dies oben mit Bezug auf die wellenlängenabstimmbaren Streuungsanordnungen 92, 68 und 52 beschrieben
wurde. Das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 110 und der
Spiegel 112 sind gemeinsam im Wesentlichen als Einheit
in Bezug auf eine Drehachse 114 drehbar. Auf ähnliche
Weise umfasst die zweite wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 108 ein Dispersions-Volumenbeugungsgitter 116 und
einen Spiegel 118, die im Wesentlichen in der Ausrichtung
und Verschiebung in Bezug aufeinander feststehend sind und gemeinsam im
Wesent lichen als Einheit in Bezug auf eine Drehachse 120 drehbar
sind. Der Gitterdrehtisch 104 ist ebenfalls um eine Drehachse 122 drehbar.
Der Gitterdrehtisch 104 schafft auf diese Weise einen Mechanismus,
um jede wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung 106 und 108 in
den und aus dem Lichtpfad zu bewegen, der durch eine Öffnung, die
durch eine Öffnungsblende 88' definiert wird,
in den Spektrographen eintritt. 6B zeigt
einen Fall, in dem die wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 108 gedreht wird, um auf eine andere
Wellenlänge
als jene, die in 6A dargestellt ist, abgestimmt
zu werden. 6C und 6D zeigen
Beispiele des Spektrographen 36, in denen der Gitterdrehtisch 104 gedreht
wird, um die wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 106 in Betriebspositionen anzuordnen. 6C entspricht
einem Wellenlängenbereich
der wellenlängenabstimmbaren
Streuungsanordnung 106, und 6D entspricht
einem anderen Wellenlängenbereich.
-
In
der bevorzugten Ausführungsform
wird die Wellenlängenabstimmung
erzielt, indem die ausgewählte
wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 106 oder 108 um ihre jeweilige
Drehachse 114 oder 120 gedreht wird. Das Umschalten
zwischen den verschiedenen wellenlängenabstimmbaren Streuungsanordnungen
wird durchgeführt,
indem der Gitterdrehtisch 104 um die Drehachse 122 gedreht wird.
Vorzugsweise sind die Drehachsen 114, 122 und 120 alle
parallel zueinander und koplanar, wobei sich die Drehachse 122 im
Wesentlichen auf halbem Weg zwischen der Drehachse 114 und
der Drehachse 120 befindet. Die Dispersions-Volumenbeugungsgitter 112 und 116 und
auch weitere, wenn dies gewünscht
wird, können
ausgewählt
werden, um auf verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums
(z.B. den ultravioletten, sichtbaren oder infraroten Bereich des
elektromagnetischen Spektrums oder Teile davon) optimiert zu werden,
oder sie können
gewählt
werden, weil sie eine gewünschte spektrale
Auflösung
und Abdeckung aufweisen (Gitter mit unterschiedlichen Streifendichten).
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
umfasst das Lasersperrfilter 34 einen oder zwei Kerbfilter.
Geeignete Kerbfilter sind auf dem Markt erhältlich, zum Beispiel werden
geeignete Kerbfilter von KAISER OPTICAL SYSTEMS, INC. hergestellt.
Das in 1 dargestellte Lasersperrfilter 34 umfasst
ein abstimmbares Kerbfilter 124. Das wellenlängenabstimmbare
Kerbfilter 124 umfasst ein nichtdispersives Volumenbeugungsgitter 126,
das an einem drehbaren Aufnahmehalter 128 montiert ist.
Das nichtdispersive Volumenbeugungsgitter 126 unterscheidet sich
von den Dispersion-Volumenbeugungsgittern dadurch, dass die Streifenmuster
der Gitter im Wesentlichen parallel zu den Eingangs- und Ausgangsflächen 130 bzw. 132 des
nichtdispersiven Volumenbeugungsgitters 126 sind. Die Spektralposition
der Kerbe des Kerbfilters 124 wird eingestellt, d.h. abgestimmt,
indem der Aufnahmehalter 128 gedreht wird. Die Spektralposition
der Kerbe wird durch die Formel ? = ?ccos(asin(sin(?)/n))bestimmt, wobei?
der Einfallswinkel in der Luft ist, n der Brechungsindex des Mediums
ist und ? die Konstruktion-Wellenlänge ist (die ? = 0 entspricht).
Auf diese Weise kann die Spektralposition der Kerbe auf eine andere
Wellenlänge
abgestimmt werden, indem das Gitter 126 in einen anderen
Winkel ? gedreht wird.
-
7 zeigt
den Extinktionswert eines Super-Notch-Filters HNSF-514 von KAISER
OPTICAL SYSTEMS, INC. als Funktion des Einfallswinkels: Wie aus 7 ersichtlich
ist, hängt
der maximale Extinktionswert über
einen ausgedehnten Spektralbereich nicht in entscheidendem Maß vom Einfallswinkel?
und von der Polarisierung des Lichts ab. Auch sind die Winkelpositionen
der Maxima bei p- und s-Polarisierungen sehr nahe beieinander. Für Einfallswinkel?
nahe null fallen die Kurven für
s- und p-Polarisierungen zusammen. 8 zeigt
das Transmissionsspektrum des Kerbfilters von 7 für jede der
optimalen Winkelpositionen, die den beiden Linien eines Argonionenlasers
(476,5 nm und 514 nm) entsprechen. Die spektrale Bandbreite der
Kerbe hängt
in einem ausgedehnten Spektralbereich nicht in entscheidendem Maß von der
ausgewählten
Wellen länge
ab. Folglich ist es möglich,
ein Kerbfilter zu verwenden, das für eine Laserwellenlänge in der Nähe des normalen
Einfalls optimiert ist, und es über einen
ausgedehnten Bereich von Einfallswinkeln abzustimmen. Die Erfinder
haben gute Resultate mit Einfallswinkeln? bis zu 45° erzielt.
Darüber
hinaus ist es möglich,
zwei im Wesentlichen identische Kerbfilter zu verwenden, die gleichzeitig
in dem Strahl angeordnet werden, aber in verschiedene Richtungen
gedreht werden.
-
Das
Spektrometer 20 (1) umfasst
einen Spiegel 133, der den Messlichtpfad beugt, um eine kompaktere
Anordnung zu erzielen. Das Spektrometer 20 umfasst auch
eine Linse 135, die ein einzelnes Linsenelement oder eine
zusammengesetzte Linse sein kann, die das Licht fokussiert, das
aus dem Sperrfilter 34 zur Öffnung hin austritt, die durch
die Öffnungsblende 88 des
Spektrographen 36 definiert wird.
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Im
Betrieb erzeugt die Lichtquelle 21 des Spektrometers 20 einen
Lichtstrahl 22. In dem Fall, dass die Lichtquelle 21 ein
abstimmbarer Laser ist, kann zuerst der Laser 21 abgestimmt
werden, um einen Beleuchtungslichtstrahl 22 mit der gewünschten Wellenlänge zu erzeugen.
Der Beleuchtungslichtstrahl 22 tritt durch die Eintrittsöffnung 70 in
das optische Bandpassfilter 24 ein und wird durch das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 74 zum
Spiegel 76 hin gestreut. Das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 74 streut
das Licht 22 in der Brennebene der Linse 84 in
das Spektrum, aus dem es gebildet ist, nachdem es vom Spiegel 76 reflektiert
wurde. Die Öffnung in
der Öffnungsblende 82 lässt nur
Licht in einem schmalen Spektralbereich durch. Das optische Bandpassfilter 24 wird
abgestimmt, indem das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 74 und
der Spiegel 76 gemeinsam im Wesentlichen als Einheit um
die Drehachse 78 gedreht werden, indem der Aufnahmehalter 80 gedreht
wird. Wenn der Durchlassbereich des optischen Bandpassfilters 24 auf
diese Weise abgestimmt wird, bleiben die Positionen der Lichteintrittsöffnung 70 und
der Lichtaustrittsöffnung 72 im
Wesentlichen unverändert,
während
der Durchlassbereich verändert
wird. Das in Verbindung mit dem Raumfilter 26 verwendete
optische Bandpassfilter 24 säubert den Beleuchtungsstrahl,
um eine einfarbigere Beleuchtungslichtquelle zu schaffen, indem
die Plasmalinien des Lasers unterdrückt werden. Die Linse 86,
die entweder eine einzelne Linse oder ein System von Linsenelementen
wie z.B. eine zusammengesetzte Linse sein kann, liefert einen erweiterten
und im Wesentlichen kollimierten Beleuchtungslichtstrahl, der in
den Strahlteiler 28 gerichtet wird.
-
Der
wellenlängenabstimmbare
dispersive Strahlteiler 28 ermöglicht eine weitere Säuberung des
Beleuchtungslichtstrahls. Der in den wellenlängenabstimmbaren dispersiven
Strahlteiler 28 eintretende Lichtstrahl bringt die Anregungsstrahlung
von abstimmbarer Wellenlänge
zur Probe, während
die inelastisch gestreute Strahlung räumlich getrennt ist. Die Objektlinse 134,
die schematisch in 1 dargestellt ist, ist typischerweise
ein zusammengesetztes Linsensystem. Der Aufnahmehalter 50 des
wellenlängenabstimmbaren
dispersiven Strahlteilers 28 wird gedreht, um den Strahlteiler 28 auf
die Wellenlänge
des Beleuchtungslichts abzustimmen. Auf diese Weise wird das Beleuchtungslicht
mit der gewünschten
Wellenlänge
durch das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 stark gestreut,
während
andere, unerwünschte
Wellenlängenkomponenten
des Beleuchtungslicht das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 im
Wesentlichen ungestreut passieren. Das durch das Mikroskop 30 dringende
Beleuchtungslicht wird auf eine Messprobe fokussiert, die im Probenbereich 32 angeordnet
ist. Das Beleuchtungslicht, das auf eine Probe in der Probenregion 32 gerichtet
wird, kann sowohl inelastisch als auch elastisch gestreut werden,
und es kann auch zurück
zum Mikroskop 30 reflektiert werden. Die Reflexion und die
elastische Streuung von im Wesentlichen der gleichen Polarisierung
wie die Anregungsstrahlung lassen die Wellenlänge des zum Mikroskop 30 zurückgesendeten
Lichts unverändert,
während
die Wellenlänge
des Lichts, das inelastisch von einer Probe gestreut wird, die in
dem Probenbereich 32 angeordnet ist, eine andere Wellenlänge als
das Beleuchtungslicht aufweist. Das Spektrometer 20 ist
so konzipiert, dass es das Spektrum von inelastisch gestreutem Licht
misst.
-
Licht,
das sich von einer Probe im Probenbereich 32 durch das
Mikroskop 30 zurückbewegt
und vom Spiegel 40 reflektiert wird, wird anschließend vom
Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38 gestreut. Das Licht,
dessen Wellenlänge
im Vergleich zum Beleuchtungslicht unverändert ist, wird gestreut, um dem
ursprünglichen
Pfad des Beleuchtungslichts in umgekehrter Richtung zum Raumfilter 26 und
zum optischen Bandpassfilter 24 zu folgen. Das Messlicht,
das andere Wellenlängen
als das Beleuchtungslicht aufweist, dringt im Wesentlichen ungestreut
durch das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 38.
-
Der
Spiegel 133 richtet das Messlicht wieder zum Sperrfilter 34,
um Licht mit der Beleuchtungswellenlänge, das in den Messlichtstrahl
entweicht, zu eliminieren. Das Kerbfilter 124 wird so eingestellt,
dass die Kerbe genau auf die Beleuchtungswellenlänge abgestimmt ist, wodurch
eine Kontamination des Messstrahls seitens des Lichts mit der Beleuchtungswellenlänge abgeschwächt wird.
Ein in einer zweiten Stufe angeordneter Kerbfilter schwächt die
Kontamination im Messlichtstrahl weiter ab, senkt aber auch den
Lichtdurchsatz zum Spektrographen 36. Das Messlicht wird
durch die Linse 135 auf den durch die Öffnungsblende 88 definierten
Eingangsschlitz fokussiert, und die Linse 94 rekollimiert
das Messlicht, das auf die wellenlängenabstimmbare Streuungsanordnung 92 des
Spektrographen 36 gerichtet wird. Das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 98 streut das
Messlicht, das durch den Spiegel 100 abgelenkt und durch
die Fokussierlinse 96 auf den Array-Detektor 90 fokussiert
wird, so dass das Spektrum gleichzeitig durch den Array-Detektor 90 gemessen
werden kann. Das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 98 und
der Spiegel 100 werden im Wesentlichen als Einheit in Bezug
auf die Drehachse 102 gedreht, um die Messbereiche des
Spektrums zu variieren. Eine Gitterdrehtischanordnung 104 (6A-6D)
ermöglicht
es, den Gitterdrehtisch 104 zu drehen, um zwischen den
wellenlängenabstimmbaren
Streuungsanordnungen 106 und 108 hin- und herzuschalten,
die für
zwei verschiedene Bereiche des elektromagnetischen Spektrums optimiert
sind, oder die so gewählt
sind, dass sie die gewünschten spektralen Auflösungen und
Abdeckungen aufweisen (d.h. Gitter mit unterschiedlichen Streifendichten).
-
Um
die Betriebswellenlänge
des Spektrometers 20 zu verändern, kann als Beleuchtungsquelle 21 ein
anderer Laser oder eine andere Lichtquelle verwendet werden, oder
ein abstimmbarer Laser kann auf eine andere Wellenlänge eingestellt
werden. Bei einem abstimmbaren Laser wird der Laser auf die für den Ausgangsstrahl
der Beleuchtungsstrahlung 22 gewünschte Wellenlänge abgestimmt. Sodann
wird das optische Bandpassfilter eingestellt, indem der Aufnahmehalter 80 in
eine neue Position gedreht wird, die der neu ausgewählten Wellenlänge entspricht.
Das optische Bandpassfilter 24 entfernt in Zusammenarbeit
mit dem Raumfilter 26 unerwünschte Wellenlängenkomponenten
aus dem Beleuchtungsstrahl 22 und schafft einen erweiterten
Strahl, der in den wellenlängenabstimmbaren
dispersiven Strahlteiler 28 eingespeist wird. Der Aufnahmehalter 50 des
wellenlängenabstimmbaren
dispersiven Strahlteilers wird in eine neue Position gedreht, die der
neu ausgewählten
Wellenlänge
für das
Beleuchtungslicht entspricht. Das Kerbfilter 124 des Sperrfilters 134 wird
in eine neue Position gedreht, um die Kerbe auf die Wellenlänge des
Beleuchtungslichts zu zentrieren, um Licht mit der Wellenlänge des
Beleuchtungslichts auszusondern. Der Spektrograph 36 wird ähnlich wie
im obigen Fall mit der im Voraus ausgewählten Beleuchtungswellenlänge betrieben,
die dem erwarteten Spektrum der Beleuchtungsquelle entspricht.
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9 ist
eine schematische Darstellung eines zweiten Beispiels eines Spektrometers 200.
Das Spektrometer ist vorteilhaft für das Messen von Anregungsspektren
in einigen Beispielen, doch es kann auch anders angewendet werden,
z.B. zum Aufzeichnen von Fluoreszenzspektren. Für Bauteile, die die gleichen
sind wie in dem in 1 dargestellten ersten Beispiel
des Spektrometers, werden die gleichen Bezugszeichen verwendet.
Das zweite Beispiel des Spektrometers 200 umfasst ein Monochrometer 202 anstelle
des optischen Bandpassfilters 24 des ersten Beispiels.
Der Spektrograph 36 kann in dem zweiten Beispiel auch als
zweites Monochrometer bezeichnet werden. Das Monochrometer 202 umfasst
eine wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 204, in der ein Spiegel 206 und
ein Dispersion-Volumenbeugungsgitter 208 an einem drehbaren
Aufnahmehalter 210 befestigt sind, so dass der Spiegel 206 und
das Dispersions-Volumenbeugungsgitter 208 gemeinsam
als Einheit um eine Drehachse 212 drehbar sind. Vorzugsweise
sind die Streifendichte und die Ausrichtung des Dispersion-Volumenbeugungsgitters 208 im
Wesentlichen die gleichen wie jene des Dispersion-Volumenbeugungsgitters 38' des wellenlängenabstimmbaren
dispersiven Strahlteilers 28. Das Monochrometer 202 umfasst
auch einen Eingangsschlitz, der durch eine Öffnungsblende 216 definiert
ist, und eine Kollimatorlinse 218. Die Kollimatorlinse 218 kann
eine einzelne Linsenkomponente oder ein zusammengesetztes Linsensystem
sein. In diesem Beispiel wird vorgezogen, dass die Lichtquelle 220 ein
Ausgangslicht erzeugt, das eine Vielzahl an Wellenlängenkomponenten
aufweist, die alle zur Verwendung als ausgewählter Beleuchtungsstrahl geeignet
sind. Das Licht von der Lichtquelle 220 wird durch eine
Linse 214 auf den Schlitz konzentriert, der durch die Öffnungsblende 216 erzeugt
wird, um in das Monochrometer 202 einzutreten. Das Monochrometer 202 wird
abgestimmt, indem der Aufnahmehalter 210 gedreht wird,
um Licht von der Lichtquelle 220 mit der gewünschten Wellenlängenkomponente
auszuwählen.
Die Linse 84, die Öffnungsblende 82 und
die Linse 86 gewährleisten
gemeinsam mit dem Monochrometer 202 eine räumliche
Filterung, um eine ausgewählte
Wellenlänge
des Beleuchtungsstrahls zu schaffen, der auf den Strahlteiler 28 gerichtet
wird. Die Öffnungsblende 82 ist
vorzugsweise einstellbar, um die Breite des Durchlassbereichs zu
regulieren. Der Strahlteiler 28 arbeitet auf die oben unter
Bezugnahme auf das erste Beispiel beschriebene Weise. Die übrigen Komponenten des
Spektrometers 200 arbeiten auf die gleiche Weise, wie dies
oben unter Bezugnahme auf das erste Beispiel beschrieben wurde.
Darüber
hinaus vereinigt er die Beleuchtungsstrahlung, die an der Ebene der Öffnungsblende 82 in
ein Spektrum zerstreut wurde, an der Probenposition 32 wieder
zurück
zu einem weißen
Spektrum mit der gewünschten
Bandbreite. Es ist zu beachten, dass in dem in 9 dargestellten
Beispiel kein Sperrfilter 34 zwischen dem Spiegel 133 und
dem Monochrometer 36 angeordnet ist. Dies führt zu einem
höheren
Durchsatz der Messstrahlung. Es können Kerbfilter im Messlichtstrahl zwischen
dem Strahlteiler 28 und dem Monochrometer 36 angeordnet
werden.
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9A zeigt
ein drittes Beispiel 300 eines Spektrometers. Komponenten
des dritten Beispiels, die die gleichen sind wie im ersten Beispiel,
weisen die gleichen Bezugszeichen auf. Das Spektrometer 300 umfasst
ein optisches Bandpassfilter 24, ein Raumfilter 26,
ein Mikroskop 30 und einen Spektrographen 36.
Ein Strahlteiler 302 ist zwischen dem Bandpassfilter 24 und
dem Mikroskop 30 angeordnet. In diesem Beispiel wird vorgezogen,
dass der Strahlteiler 302 ein nichtdispersiver Strahlteiler
(auch neutraler Strahlteiler genannt) ist. Ein Sperrfilter 304 umfasst
eine erste wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 306 und eine zweite wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 308. Die erste wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 306 umfasst einen Spiegel 310 und
ein Dispersion-Volumenbeugungsgitter 312, die im Wesentlichen
in Ausrichtung und Verschiebung in Bezug aufeinander feststehend
sind. Der Spiegel 310 und das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 312 sind
vorzugsweise an einem drehbaren Tisch 314 befestigt.
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Die
zweite wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 308 umfasst einen Spiegel 316 und ein
Dispersion-Volumenbeugungsgitter 318, die im Wesentlichen
in Ausrichtung und Verschiebung in Bezug aufeinander feststehend
sind. Vorzugsweise sind der Spiegel 316 und das Dispersion-Volumenbeugungsgitter 318 an
einem drehbaren Tisch 320 befestigt. Linsen 322 und 324 sind
so angeordnet, dass sie bei der Öffnungsblende 326 einen
im Wesentlichen zusammenfallenden Brennpunkt oder eine zusammenfallende
Brennebene aufweisen. Auf ähnliche
Weise sind Linsen 328 und 94 so angeordnet, dass
sie bei der Öffnungsblende 88 einen
im Wesentlichen zusammenfallenden Brennpunkt oder eine zusammenfallende
Brennebene aufweisen.
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Das
Sperrfilter 304 ist ein doppeltes Monochrometer mit Subtraktion
der Streuung. In diesem Fall ist der Durchsatz des Spektrometers 300 im
Vergleich zum ersten Beispiel reduziert, doch der Spektralbereich
unter etwa 100 cm–1 wird für Messungen zugänglich.
Dieser Spektralbereich wird im ersten Beispiel (siehe 8)
durch Kerbfilter blockiert. Das doppelte Monochrometer 304 mit
holographischen Streuungsgittern dient als Sperrfilter für die elastisch gestreute
und reflektierte Strahlung, die von der Probe ausgesendet wird.
Das erste Monochrometer umfasst die erste wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 306, und das zweite Monochrometer umfasst
die zweite wellenlängenabstimmbare
Streuungsanordnung 308. Das erste Monochrometer streut
das Spektrum in der Brennebene einer Fokussierlinse 322 und 324.
Die Öffnungsblende 326 wird geöffnet, um
den gewünschten
Spektralbereich aufzunehmen und das elastisch gestreute und reflektierte
Licht zu unterdrücken.
Das zweite, im Wesentlichen identische Monochrometer vereinigt das
Spektrum wieder und unterdrückt
zudem unerwünschte Strahlung.
Der Austrittschlitz 88 dieses Monochrometers dient als
Eingangsschlitz des Spektrographen 36. Beide Monochrometer
können über den
ganzen verfügbaren
Spektralbereich hinweg auf kooperative Weise abgestimmt werden,
was vorzugsweise durch mechanisches Koppeln erfolgen kann. Bei diesem dritten
Beispiel wird vorgezogen, einen neutralen Strahlteiler anstelle
des dispersiven Strahlteilers 28 zu verwenden, da der dispersive
Strahlteiler 28 eine relativ breite Kerbe und sekundäre Kerben
im Transmissionsspektrum umfasst (4B). Die
Verwendung eines doppelten subtrahierenden Monochrometers mit holographischer
Optik anstatt herkömmlicher Spektrometer
mit Reflexions-Oberflächenreliefgitter führt zu einem
wesentlich höheren
Durchsatz, einem höheren
Sperrgrad und einer kompakteren Ausführung.
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In
den oben dargestellten Beispielen von Spektrometern, Monochrometern,
Spektrographen, wellenlängenabstimmbaren
Strahlteilern und optischen Bandpassfiltern sind die Aufnahmehalter
drehbare Aufnahmen wie z.B. drehbare Aufnahmetische. Dies ist aufgrund
der Einfachheit der Konstruktion und des Betriebs wünschenswert.
Der Fachmann sollte jedoch aus der obigen Beschreibung erken nen, dass
es zahlreiche andere Konstruktionen gibt, die es u.a. erlauben,
ein Dispersion-Volumenbeugungsgitter und einen Spiegel gemeinsam
im Wesentlichen als Einheit um eine gemeinsame Drehachse oder zu drehen
oder auf andere Weise zu bewegen. Darüber hinaus sollte der Fachmann
erkennen, dass die mechanischen Bauteile mechanisch oder auf automatisierte
Weise angetrieben werden können,
indem sie z.B. mit den elektrischen Antriebs- und Steuervorrichtungen
verbunden werden. Darüber
hinaus kann eine Vielzahl von Aufnahmehaltern in einem Spektrometer
einzeln und unabhängig
von den übrigen
Aufnahmehaltern beweglich sein, oder sie können mechanisch oder elektrisch
gekoppelt sein, um sich auf koordinierte Weise zu bewegen.
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Ein
abstimmbarer Spektrograph mit einem holographischen Volumengitter
gemäß der bevorzugten
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung hat den Vorteil, dass er zwar die gleiche
spektrale Auflösung
wie herkömmliche
Gitter-Spektrographen aufweist,
aber eine zwei oder drei Mal größere Brennweite
und eine zwei oder drei Mal kleinere F-Zahl besitzt. Dieses Merkmal
rührt von
zwei Faktoren her. Erstens können
Gitter mit erheblich größerer Rillendichte
(Streifendichte bei einem Transmissiongitter) für denselben Spektralbereich
verwendet werden, ohne beim Durchsatz des Systems Abstriche hinzunehmen.
Der Grund dafür
ist der, dass die Effizienz des Transmissionsgitters leicht für jede Wellenlänge optimiert
werden kann, indem seine Dicke und die Schwankungsbreite des Brechungsindex verändert wird,
während
beim herkömmlichen
reflektierenden Gitter das Rillenprofil die einzige Variable ist,
was nicht flexibel genug ist. Der zweite Faktor hat damit zu tun,
dass die meisten herkömmlichen
Spektrographen, die das sichtbare Licht verwenden, herkömmlicherweise
Spiegel mit einer kugelförmigen und/oder
ringförmigen
Kollimatoroptik außerhalb
der Achse umfassen, die zu sehr erheblichen Aberrationen führen, was
auch die F-Zahl
begrenzt. Obwohl sie aufgrund des Fehlens von Farbaberrationen für Vorrichtungen
wichtig sind, die in einem breiten Spektralbereich arbeiten (UV
bis nahe IR), sind Kollimatorspiegeloptiken für spezielle Mehrkanal-Spektrographen
mit CCD-Array-Detektoren, die auf den Spektralbereich von 200-1.000
nm be schränkt
sind und insbesondere für
einen Betrieb bei 450-800 nm optimiert sind, technisch überholt.
Es können
praktisch aberrationsfreie Spektrographen mit Transmissionsvolumengittern
mit Kollimatoroptiken aus Glas hergestellt werden, was den Aufbau
des Spektrographen im Vergleich zum herkömmlichen Gitterspektrographen
mit der gleichen Auflösung
(es wären
kleinere Pixel am CCD-Detektor notwendig) erheblich kompakter macht.
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Wenn
der Benutzer die Spektralposition des Spektrographen mit einem Volumentransmissionsgitter ändert, so
wird dadurch der Durchsatz des Spektrographen nicht wesentlich beeinträchtigt. 10 zeigt
die berechnete Effizienz für
ein geeignetes holographisches Volumengitter als Funktion der Wellenlänge und
des Einfallswinkels für
zwei Polarisierungen des Lichts. In diesem Fall beträgt die Streifendichte
N = 2.000 Streifen/mm, der durchschnittliche Brechungsindex des
Mediums ist n = 1,5, die Modulation des Brechungsindex ist ? n =
0,07, und die Dicke ist d = 3,5 μm.
Um den Spektralbereich von 340-860 nm abzudecken, wäre eine
Drehung des Gitters um etwa ± 20
Grad erforderlich, wodurch es möglich
wäre, ein
Gitter von zumutbaren Abmessungen zu verwenden. Die Spitzendurchlässigkeit
des Gitters bleibt im gesamten Spektralbereich bei beiden Polarisierungen
des einfallenden Lichts hoch. Bei hochdispersiven Gittern mit optimaler
Dünne (siehe 11)
werden aufgrund von Phasenverschiebungseffekten nur etwa 5% Verschlechterung des
Signals am Rand des Spektralfensters erwartet. 11 zeigt
die berechnete Effizienz des holographischen Volumengitters als
Funktion der Wellenlänge für zwei verschiedene
Lichtpolarisierungen. Die Brennweite des Spektrographen beträgt f = 135
mm, und die Länge
des Array-Detektors
beträgt
l = 12,7 mm. Die Parameter des Gitters sind die gleichen wie in
dem in 10 dargestellten Fall.
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Die
Effizienz des Volumengitters hängt
von der Polarisierung des einfallenden Lichts ab, daher haben die
Effizienzkurven bei unterschiedlichen Polarisierungen Maxima bei
unterschiedlichen Winkelpositionen und Wellenlängen (siehe 10).
Dieser Effekt ist jedoch relativ moderat und weniger ausgeprägt als bei
einem herkömmlichen
Gitter.
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Es
ist gemäß dieser
Erfindung vorteilhaft, Dispersion-Volumenbeugungsgitter sowohl in
den Strahlteilern als auch in den optischen Bandpassfiltern und
Monochrometern zu verwenden, und zwar allein aufgrund ihrer Flexibilität, die einen
raschen und einfachen Wechsel der Betriebswellenlänge erlaubt.
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Die
obige genaue Beschreibung erklärt
die Erfindung anhand einer exemplarischen Ausführungsform. Der Umfang der
Erfindung ist nicht auf die Beispiele beschränkt, und er ist durch die folgenden Ansprüche definiert.