DD271960A1

DD271960A1 - Anordnung von beugungsgittern

Info

Publication number: DD271960A1
Application number: DD31552588A
Authority: DD
Inventors: Andreas Pomp; Bernd Kleemann; Johannes Creutziger; Reiner Guether; Reinhard Steiner
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1988-05-09
Filing date: 1988-05-09
Publication date: 1989-09-20

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung von Beugungsgittern mit Lichtquelle und Empfaenger, die fuer den Einsatz in Spektralgeraeten bestimmt ist. Bei der erfindungsgemaessen Anordnung werden stoerende spektrale Beugungseffektivitaetsschwankungen und im Falle von Beugungsgittern auf gekruemmten Traegern, gleichzeitig Abbildungsfehler dadurch verringert, dass bei mindestens einem Beugungsgitter der Anordnung wenigstens eine dielektrische Schicht ueber die Gitterflaeche eine variierende optische Schichtdicke oder eine unterschiedliche Profilform in ihrer unteren und oberen Begrenzungsflaeche aufweist. Fig. 1

Description

Hierzu.4 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Anordnung von Beugungsgittern mit Lichtquelle und Empfänger.

Dabei können die Beugungsgitter auf Planträgern oder gekrümmten Trägern angeordnet sein.

Sie können sowohl als Reflexionsbeugungsgitter als auch als Transmissionsphasengitter ausgebildet sein.

Die erfindungsgemäße Anordnung von Beugungsgittern ist in Spektralg. äten insbesondere dort anwendbar, wo höchste Anforderungen an die spektrale Beugungseffektivität und, im Falle von Beugungsgittern auf gekrümmten Trägern, an die Abbildungseigenschaften gestellt werden.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Mechanisch oder interferenziell geteilte Beugungsgitter, wie sie z. B. in der Monographie von H. C. Hutley „Diffraction Gratings" Oxford 1Sd2 beschrieben werden, haben eine breite Anwendung in der Spektroskopie und in anderen Gebieten des wissenschaftlichen Gerätebaus gefunden. Solche Gitter bestehen aus einem Gitterträger, meist Glas oder Keramik, einer das Gitterprofil formenden Schicht, oft Resist oder Epoxidharz, und einer Verspiegelungsschicht, zumeist Aluminium, Gold oder ein anderes Metall, sowie gegebenenfalls aus einer Schutzschicht, wie Magnesiumfluorid oder Quarz.

Weiterhin sind Gitter nach der DE-OS 3424133 bekannt, die aus einer Oberflächen-Phasenrelief-Schicht bestehen, die auf einem Träger aufgebracht ist und bei denen die Transrnissions-Beugungsordnungen benutzt werden. Die soeben aufgezählten Gittertypen können, wie z. B. ebenfalls in der oben aufgeführten Monographie von Hutley beschrieben ist, auch als interferenziell oder mechanisch geteiltes Konkav- oder Konvexgitter ausgebildet sein.

Dabei besteht das Problem darin, eine gute Korrektion der Abbildungsleistungen über ainen bestimmten Wellenlängenbereich unter den üblichen Voraussetzungen zu erreichen, indem von jedem Oberflächenelement des Gitters Strahlen mit derselben Beugungseffektivität zur Bildentstehung beitragen. Eine Verbesserung des Kontrastes des entstehenden Bildes ist im Prinzip seit den Arbeiten von Runge zu Beginn des Jahrhunderts und detaillierter von H. G. Beutler im Journ. of Opt. Society of America 35, 311 (1945) beschrieben worden, wobei in der Dispersionsrichtung des Gitters z. B. symmetrisch vom Rand her abgeblendet

Eine Realisierung des Abblendens eines Spektrometers längs und quer zur Gitterdispersionsrichtung ist ebenfalls bekannt (W. R.

Hunter und R. U. Chaimson in Appl. Optics 18 (1979) 2398), wobei die Abblendung je nach Wellenlänge eingestellt werden kann.

Dabei wird ein rolativ großer Aufwand mit Schrittmotoren getrieben.

Störend auf den spektroskopischen Gebrauch von Gittern wirken sich Anomalien, also tiefe Einschnitte oder steile Peaks, im

Beugungseffektivitätsverlauf des Beugungsspektrums aus. «,

Solche Schwankungen in den Effektivitätsverläufen könt.on hervorgerufen werden durch Verschwinden von Gitterbeugungsordnungen infolge streifender Ausbreitung parallel zum Gitterträger, durch die Einkopplung von Energie in Oberflächenpiasmanen, durch Einkoppeln von Energie in Schichtwellenmoden bei beschichteten Gittern und durch Anschwingen von Resonatormoden in relativ dicken Gitterbeschichtungon.

Die Schwankungen im Beugungseffektivitätsverlauf täuschen falsche Spektrallinien vor und müssen nach Möglichkeit vermindert werden. Eine Möglichkeit zur Verringerung d6S Einflusses der Anomalien bei Gittern mit ebenen ha' .ken ist in der Patentschrift US 3942873 beschrieben und besteht in einer wulstartigen Verdickung der metallischen Schicht auf der kurzen Flanke des Gitters. Dies ist mit dem Nachteil verbunden, daß die gezeigten Gitterprofile schwer zu kopieren sind. Eine andere Möglichkeit zur Verbesserung der Bcugungseffektivitätsverteiiung ist die Variation der Modulatioristiafe des Gitters über die Gitterfläche gemäß DU-WP 204318, was zu einer Verb -«iterung der Beugungseffektivitätsverteilung führt, aber für Plangitter unter Konstanthaltung der Anomalien bei gegebener ilungsfrequenz. Die Anomalien sind dadurch jedoch nicht beseitigt.

Ziel der Erfindung ist eine mit möglichst geringem Aufwand realisierbare, die Kopierfähigkeit nicht beeinträchtigende Minimierung der spektralen Beugungseffektivitätsschwankungen von Beugungsgittern sowie die Verbesserung der Abbildungsleistung im Falle von Gi'.tern auf gekrümmten Trägern.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Beugungsgitter zu schaffen, bei denen auf einfache Weise und unter Erhaltung der Kopierfähigkeit die Beugungseffektivitätsschwankungen von Beugungsgittern verringert und im Falle von Gittern auf gekrümmten Trägern gleichzeitig die Abbildungseigenschaften verbessert werden.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung von Beugungsgittern mit Lichtquelle und Empfänger, wobei sich die aus einer das Gitterprofil formenden Schicht bestehenden Beugungsgitter auf Planträgern oder gekrümmten Trägern befinden und jeweils mit mindestens einer dielektrischen Schicht versehen sind, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei mindestens einem Beugungsgitter der Anordnung wenigstens eine dielektrische Schicht über die Gitterfläche eine variierende optische Schichtdicke oder eine unterschiedliche Profilform in ihrer unteren und oberen Begrenzungsfläche aufweist.

Es ist vorteilhaft, wenn wenigstens eine dielektrische Schicht eines der Beugungsgitter eine fh Dispersionsrichtung monoton und linear abnehmende optische Schichtdicke besitzt.

Bei Verwendung von Beugungsgittern mit abbildenden Eigenschaften ist es vorteilhaft, wenn wenigstens eine dielektrische Schicht eines der Beugungsgitter auf bevorzugten Gittergebieten mit unterschiedlicher Ausdehnung parallel und/oder senkrecht zur Dispersionsrichtung andere optische Schichtdicken als auf dem Restgebiet aufweist.

Von Vorteil ist auch, wenn die dielektrischen Schichten von hintereinandergeschalteten Beugungsgittern eine voneinander verschiedene optische Schichtdicke haben.

Durch Untersuchungen wurde gefunden, daß bei Beugungsgittern die Lage der Gitteranomalien im Spektrum beispielsweise durch die optische Schichtdicke der dielektrischen Schichten, d. h. durch die geometrische Schichtdicke oder den Brechungsindex dieser Schichten, oder aber auch durch die Form ihres Gitterprofils verändert werden kann. So bringt die Änderung der geometrischen Schichtdicke um 1 nm etwa eine Verschiebung der längerwelligen Anomalien um 1 nm in Richtung zu größeren Wellunlängen.

Den gleichen Effekt bewirkt eine Erhöhung des Brechungsindex der Schicht um Δη = 0,01.

Hieraus ergibt sich die Lösung der Aufgabenstellung:

Die optische Schichtdicke der dielektrischen Schicht, oder im Falle von mehreren dielektrischen Schichten, mindestens einer dielektrischen Schicht, ist auf einem Toil des Gitters z. B. so eingerichtet, daß die Anomalien in der Beugungseffektivität bei einer Wellenlänge X₁ liegt. Auf einem zweiten Teil des Gitters besitzt die dielektrische Schicht eine optische Schichtdicke, die zur Verschiebung der Anomalie an die Wellenlänge X₂ in diesem Bereich führt. Wiederum auf einem dritten Teil des Gitters entspricht einer weiteren optischen Schichtdicke die Position der Anomalie bei λ₃ usw. Durch Mittelung über alle von den verschiedenen Gitterteilen herkommenden Verläufen der Beugungseffektivität ergibt sich als mittlere Ausgleichseffektivität eine Schwächung der Anomalie. Es erfolgt eine Einebnung oder Glättung <iar Anomalie. Gleichermaßen werden alle mit der optischen Schichtdicke verbundenen Beugungseffektivitätsschwankungen mitgeglättet.

Bei Beugungsgittern auf gekrümmten Trägern bewirkt die eKindungsgemäße Anordnung gleichzeitig eine Erhöhung der Abbildungsleistuiig infolge der Schwächung von Abbildungsfehlern.

Die erfindungsgemäße Anordnung bezieht sich sowohl auf Transmissionsphasengitter als auch auf Reflexionsgivter.

Ausführungsbeispiele

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es zeigen

Abb. 1: Ouerschnitt durch ein Reflexionsbeugungsgitter einer erfindungsgemäßen Anordnung Abb. 2: Kurve der Beugungseffektivität in % in Abhängigkeit von der Wellenlänge X[nm] bei einer erfindungsgemäßen Anordnung gemäß Ausführungsbeispiel 1

Abb.3: Querschnitt durch ein Konkavgitter einer erfindungsgemäßen Anordnung Abb.4: Querschnitt durch ein Konkavgitter mit gebietsweise konstanten Schichtdicken einer erfindungsgemäßen Anordnung Abb.5: Schematische Darstellung eines Doppelmonochromator als erfindungsgemäße Anordnung mit 2 Konkavgittern.

Ausführungsbeispiel 1

Abb. 1 steift ein Reflexionsbeugungsgitter z.B. der Abmessung 100x 100mm² dar, bestehend aus einem planen Glasträger 1, einer darauf angeordneten, ein geblaztes Gitterprofil 5 formenden Resistschicht 2, einer darauf angeordneten metallischen Reflexionsschicht 3 aus Al, z. B. der Dicke von 100nm und einer abschließenden dielektrischen Schicht 4 aus MgF₂, welche zugleich als Schutzschicht dient.

Die dielektrische Schicht 4 weist erfindungsgemäß eine von einem Gitterrandpunkt L zu einem in Dispersionsrichtung gegenüberliegenden Gitterrandpunkt R eine linear abnehmende geometrische Schichtdicke auf, wobei die Schichtdicke in Punkt Lz. B. 100nm und im Punkt R 5nm beträgt. Das Gitterprofil 5 besitzt eine Gitterkonstante g von 0,714pm, d.h. eine Teilungsfrequenz von 1400l/mm und einen Blazewinkel α = 6°. Im Vergleich zu einem analogen Beugungsgitter mit gleichmäßig dicker dielektrischer Schicht werden die dort auftretenden Beugungseffektivitätsschwankungen und Beugungsanomalien im spektralen Verlauf bei dem erfindungsgemäßen Beugungsgitter aufgrund der monoton und linear abnehmenden geometrischen Schichtdicke der dielektrischen Schicht 4 in ihrer Wirkung um den Faktor 4 geschwächt, wie es auch aus Abb. 2 hervorgeht, für den TM-Polarisationsfall. Dabei repräsentiert die durchgezogene Kurve den spektralen

Beugungseffektivitätsverlauf des erfindungsgemäßen Beugungsgitters, die gestrichelte Kurve den spektralen Beugungseffektivitätsverlauf eines Vergleichsgitters.

Die Wirkung wird auch erzielt, wenn statt der Dojrhriebenen Schichtdickenänderung der dielektrischen Schicht 4 über die Gitterfläche die Schicht 4 in ihrer oberen Begrenzungifläche 11 ein anderes Gitterprofil aufweist als in der unteren, der profilformenden Schicht 2 näherliegenden Begrenzungsfläche 12.

Ausführungsbeispiel 2

In Abb. 2 ist ein Konkavgitter, also ein Beugungsgitter auf gekrümmtem Träger 1, mit geblaztem Gitterprofil 5 dargestellt. Auf dem Träger 1 ist die profilformende Schicht 2, die Al-Schicht 3 und darauf schließlich die dielektrische Schicht 4 aus MgF₂ angeordnet. Die dielektrische Schicht 4 besitzt eine von Gitterrandpunkt L zu Gitterrandpunkt R in Dispersionsrichtung dünner werdende Schichtdicke, die eine Verringerung von Gitteninomalien bewirkt.

In Punkt L beträgt sie 200 nm, in Punkt R 5 nm. Das Gitter bildet Spalt A auf Spalt B ab und die Blazeflanken des Gitterprofils 5 sind so geneigt, daß ein von A kommender Strahl, der entsprechend der Gittergleiuhung nach B gebeugt wird, an jeder Blazeflanke lokal gespiegelt wird.

Bei Anwendung dieses Gitters mit z. B. 1400 l/mm im UV- und VIS-Bereich bis 520 nm legt man wegen schv/acher Intensitäten im UV die Abbildungskorrektion vorteilhafterweise in den Bereich von 160 bis 240 nm, d. h. in diesem Bereich sind nach den bekannten Korrektionsrichtlinien die Fehler Defokussierung, Astigmatismus, meridionale und sagittate Koma zu minimieren.

Durch diese für das UV angepaßte Korrektion ergeben sich allerdings größere Abbildungsfehler im sichtbaren Spektralbereich.

Ausführungsbeispiel 3

Aus dem im Ausführungsbeispiel 2 geschilderten Abbildungsverhalten ergibt sich eine weitere Lösungsvariante für ein abbildendes Beugungsgitter auf gekrümmtem Träger 1. Gemäß Abb. 4 besitzt ein zentrales, zur Dispersionsrichtung senkrecht begrenztes Gittergebiet 6 (z. B. Vs der gesamten Gitterfläche) eine dickere dielektrische Schicht 4, z. B. 55 nm, als außenliegende Gittergebiete 7 mit einer Schichtdicke von jeweils 5nm.

Ein Bildpunkt in Spalt B, Abb.4, erhält damit vom gesamten Konkavgitter Licht im gut korrigierten Spektralbereich von 160 bis 240nm und für den sichtbaren Bereich wirkt das gut korrigierte zentrale Gebiet 6 aufgrund der dort vorliegenden höheren Schichtdicke mit etwa doppelt so hoher Effektivität wie die außenliegenden, schlechter abbildenden Gittergebiete 7. Dadurch wird ebonfalls im sichtbaren Bereich eine Auflösungsverbesserung erreicht.

Die gebietsweise unterschiedlich vorliegenden Schichtdicken in diesem Ausführungsbeispiel entsprechen einer Beschneidung des Gitterrandes durch das Bauelement selbst.

Ausfuhrungsbeispiel 4

In Abb. 5 isi ein Doppelmonochromator dargestellt, der 2 Konkavgitter 8 und 9 mit darauf angeordneten Schichten 2-1 enthält. Hier bedeutet C eine Lichtquelle, 8 ein unter Ausführungsbeispiel 2 beschriebenen Konkavgitter, jedoch mit einer dielektrischen Schicht 4 konstanter Dicke von 30 Mm, 10 ein Spalt, 9 ein unter Ausführungsbeispiel 2 beschriebenes Konkavgitter, aber mit einer dielektrischen Schicht 4 konstant Dicke von 60pm,und B ein Austrittsspalt. In diesem Beispiel tritt die Btugungseffektivitätsschwankung und Abbildungsfehler verringernde Wirkung durch die voneinander verschiedene Dicke der dielektrischen Schichten der hintereinander geschalteten Beugungsgitter ein.

Claims

1. Anordnung von Beugungsgittern mit Lichtquelle und Empfänger, wobei sich die aus einer das Gittarprofil formenden Schicht bestehenden Beugungsgitter auf Planträgern oder gekrümmten Trägern befinden und jeweils mit mindestens einer dielektrischen Schicht versehen sind, gekennzeichnet dadurch, daß bei mindestens einem Beugungsgitter der Anordnung wenigstens eine dielektrische Schicht (4) über die Gitterfläcne eine variierende optische Schichtdicke oder eine unterschiedliche Profilform (5) in ihrer unteren (12) und oberen Begrenzungsfläche (11) aufweist.

2. Anordnung ve η Beugungsgittern nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens eine dielektrische Schicht (4) eines der Beugungsgitter eine in Dispersionsrichtung monoton und linear abnehmende optische Schichtdicke besitzt.

3. Anordnung von Beugungsgittern nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß wenigstens eine dielektische Schicht (4) eines der Beugungsgitter auf bevorzugten Gittergebieten (6) mit unterschiedlicher Ausdehnung parallel und/oder senkrecht zur Dispersionsrichtung andere optische Schichtdicken als auf dem Restgebiet (7) aufweist.

4. Anordnung von Beugungsgittern nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die dielektrischen Schichten (4) von hintereinandergeschalteten Beugungsgittern (8,9) eine voneinander verschiedene optische Schichtdicke haben.