DE10040813A1 - Spektrometeranordnung - Google Patents

Abstract

Es wird eine Spektrometeranordnung zur Bestimmung einer Strahlungswellenlänge (lambda¶s¶) einer von einer zu vermessenden Strahlungsquelle (3) emittierten Strahlung vorgeschlagen, welche ein Beugungsgitter (5), auf welches die Strahlung der zu vermessenden Strahlungsquelle (3) unter einem vorbestimmten Winkel einfällt und einen Strahlungsdetektor (7) zum Empfang von an dem Beugungsgitter (5) unter einem vorbestimmten Winkel gebeugter Strahlung der zu vermessenden Strahlungsquelle (3) umfaßt. Die Spektrometeranordnung zeichnet sich dadurch aus, dass das Beugungsgitter (5) als ein Reflexionsgitter mit einer veränderbaren Gitterkonstante (lambda¶s¶) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Spektrometer zur Bestimmung einer Wellenlänge einer von einer zu vermessenden Strahlungsquelle emittierten Strahlung.

Herkömmliche Spektrometer werden unter anderem dazu eingesetzt, Strahlungspektren zu vermessen, d. h. eine wellenlängenabhängige Intensitätsverteilung der von der Strahlungsquelle emittierten Strahlung zu bestimmen. Hierzu wird ein dispersives Element, wie etwa ein Dispersionsprisma oder ein Beugungsgitter, eingesetzt, welches den einfallenden zu vermessenden Strahl um einen wellenlängenabhängigen Winkel ablenkt. Es findet somit eine räumliche Zerlegung des Strahlungspektrums statt, welches dann vermessen werden kann, indem mit Abstand von dem dispersiven Element ein ortsauflösender Strahlungsdetektor angeordnet wird oder ein Punktdetektor mit einer vergleichsweise kleinen Eintrittsblende ortsabhängig verfahren wird. Die hierbei registrierte ortsabhängige Strahlungsintensität kann bei bekannter Gesetzmäßigkeit des wellenlängenabhängigen Ablenkwinkels des dispersiven Elements in die wellenlängenabhängige Intensität der Strahlung, also deren Spektrum, umgerechnet werden.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Anordnung für ein Spektrometer anzugeben.

Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Spektrometer anzugeben, welches einen ortsauflösenden Detektor oder einen beweglichen Punktdetektor nicht benötigt. Ferner ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung für ein Spektrometer anzugeben, welches einen einfachen Aufbau hat und eine schnelle Bestimmung des zu vermessenden Spektrums ermöglicht.

Die Erfindung geht hierbei aus von einer herkömmlichen Spektrometeranordnung, welche zur Bestimmung einer Strahlungswellenlänge ein Beugungsgitter, auf welches die Strahlung unter einem vorbestimmten Winkel einfällt, und einen Strahlungsdetektor zum Empfang von an dem Beugungsgitter unter einem vorbestimmten Winkel gebeugter Strahlung umfasst. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Beugungsgitter als ein Reflexionsgitter mit einer veränderbaren Gitterkonstante ausgebildet ist.

Bei herkömmlichen Spektrometeranordnungen weist ein Reflexionsgitter eine festgelegte Gitterkonstante auf. Dies bedeutet, dass die optisch wirksamen und in einer Gitterebene bzw. Oberfläche des Beugungsgitters periodisch angeordneten linearen Strukturen, welche zusammen die Beugungswirkung des Gitters erzeugen, mit festem unveränderlichen Abstand voneinander angeordnet sind. Bei einem solchen herkömmlichen Gitter herrscht eine feste Beziehung zwischen der Wellenlänge der auf das Gitter einfallenden Strahlung und dem Beugungswinkel unter dem die einfallende Strahlung durch das Beugungsgitter in eine bestimmte Beugungsordnung gebeugt wird. Um das Strahlungsspektrum zu bestimmen, muss somit der Winkel zwischen Strahlungsdetektor und Beugungsgitter beispielsweise durch Drehen des Beugungsgitters, Bewegen des Detektors oder Verwenden eines ortsauflösenden Detektors verändert werden.

Bei dem erfindungsgemäßen Beugungsgitter können zur Bestimmung eines Strahlungsspektrums der Strahlungsdetektor und die Strahlungsquelle unter einem festen Winkel zum Beugungsgitter angeordnet bleiben, da über beispielsweise kontinuierliches Verändern der Gitterkonstanten nach und nach andere Strahlungswellenlängen der zu vermessenden Strahlung in Richtung zum Detektor gebeugt werden. Es kann somit die gemessene Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Gitterkonstante bestimmt werden, woraus die wellenlängenabhängige Strahlungsintensität, also das Strahlungsspektrum, bestimmbar ist.

Es ist somit eine Spektrometeranordnung bereitgestellt, welche einen verfahrbaren Strahlungsdetektor oder einen ortsauflösenden Strahlungsdetektor oder einen Mechanismus zum Verdrehen des Beugungsgitters nicht benötigt, was zu einem einfachen Aufbau der Spektrometeranordnung führt.

Vorzugsweise wird das Beugungsgitter mit veränderbarer Gitterkonstante durch Oberflächenwellen auf einer Oberfläche einer Oberflächenwellen-Bauanordnung bereitgestellt. Es hat sich herausgestellt, dass mechanische Oberflächenwellen, d. h. Auslenkungen der Oberfläche transversal zu derselben, welche auf der Oberfläche der Bauanordnung erzeugt werden und auf dieser in einer Ausbreitungsrichtung propagieren, optisch wirksam sind und in ihrer periodischen Anordnung als Reflexionsgitter wirken. Ferner ist bei einer hierfür geeigneten Oberflächenwellen-Bauanordnung (englisch: surface acoustic wave device) die Wellenlänge der Oberflächenwellen in einem gewissen Rahmen änderbar, so dass über Änderung dieser Wellenlänge der Abstand der periodischen Strukturen, nämlich der Wellenberge und Wellentäler der Oberflächenwelle, voneinander änderbar ist, was einer Änderung der Gitterkonstanten des Beugungsgitters gleichkommt.

Zur Bereitstellung einer solchen Oberflächenwellen- Bauanordnung sind eine Vielzahl Auslegungsmöglichkeiten bekannt. Eine bevorzugte Auslegungsmöglichkeit sieht vor, die Oberflächenwellen auf der Oberfläche eines LiNbO₃-Einkristalls zu erzeugen. Hierzu wird auf einem Teil der Oberfläche des Kristalls ein elektroakustischer Wandler angebracht, welcher eine hochfrequente elektrische Spannung in mechanische Oberflächenwellen umwandelt. Als mögliche elektroakustische Koppler sind sogenannte Interdigitalelektroden bekannt. Durch die Frequenz der an den elektroakustischen Wandler angelegten Spannung ist die Wellenlänge der erzeugten Oberflächenwellen bestimmt.

Somit umfasst die Oberflächenwellen-Bauanordnung vorzugsweise eine frequenzveränderliche Ansteuervorrichtung, um die Oberflächenwellen anzuregen und um zur Änderung der Gitterkonstanten die Wellenlänge und damit die Periode der Oberflächenwellen zu ändern. Bei der für eine bestimmte Oberflächenwellen-Bauanordnung bekannten Relation zwischen Anregungsfrequenz und Wellenlänge der erzeugten Oberflächenwellen kann somit die zur Einstellung einer gewünschten Gitterkonstanten nötige Anregungsfrequenz errechnet werden.

Bevorzugterweise umfasst die Oberflächenwellen-Bauanordnung einen Temperatursensor zur Bestimmung der Temperatur der Oberfläche der Oberflächenwellen-Bauanordnung. Es hat sich nämlich herausgestellt, dass die Wellenlänge der erzeugten Oberflächenwellen nicht nur von der Anregungsfrequenz sondern auch von der Temperatur der Oberfläche abhängt. Bei bekannter Relation zwischen Anregungsfrequenz, Temperatur und Wellenlänge für eine bestimmte Oberflächenwellen-Bauanordnung kann dann die zur Erzeugung einer gewünschten Gitterkonstante notwendige Frequenz unter Berücksichtigung der momentanen Temperatur der Oberflächenwellen-Bauanordnung bestimmt werden.

Vorzugsweise bestimmt der Temperatursensor die Temperatur der Oberfläche berührungslos, um die Ausbreitung der Oberflächenwellen auf dieser Oberfläche möglichst nicht zu stören. Hierzu sind geeignete Temperatursensoren in Form von Strahlungsdetektoren oder Infrarotdetektoren aus dem Stand der Technik bekannt.

Um die gewünschte Gitterkonstante möglichst genau einstellen zu können, umfasst die Spektrometeranordnung bevorzugterweise eine Einrichtung, um diese Gitterkonstante selbst zu messen. Hierzu ist weiter bevorzugt eine Referenzstrahlenquellenanordnung vorgesehen, deren Strahlungswellenlänge mit hoher Genauigkeit bekannt ist. Insbesondere Laser sind hierfür geeignet. Die Strahlung der Referenzstrahlungsquellenanordnung wird unter einem vorbestimmten Winkel auf das Beugungsgitter gerichtet, und es ist ferner ein Referenzdetektor unter einem vorbestimmten Winkel zum Beugungsgitter angeordnet, um gebeugte Strahlung der Referenzstrahlungsquellenanordnung zu registrieren. Bei bekannter Wellenlänge der von der Referenzstrahlungsquellenanordnung emittierten Strahlung und bekannter Winkelbeziehung zwischen Beugungsgitter und Referenzdetektor ist dann die Gitterkonstante des Beugungsgitters mit vergleichsweise hoher Genauigkeit bestimmbar. Bei Abweichung der bestimmten Gitterkonstante von einem gewünschten Wert kann die Gitterkonstante dann entsprechend nachgestellt werden. Bei der vorangehend beschriebenen Oberflächenwellen-Bauanordnung erfolgt dies vorzugsweise durch Ändern der Anregungsfrequenz.

Um hierbei die veränderbare Gitterkonstante für mehrere Werte derselben genau bestimmen zu können, ist vorzugsweise der Referenzdetektor als ortsauflösender Zeilendetektor ausgebildet.

Bei konkav gekrümmter Ausbildung der Oberfläche des Beugungsgitters in einer Form, die einer Teilfläche eines Zylinders oder einer Kugel angenähert ist, sind Beugungsgitter, Referenzstrahlungsquellenanordnung und Referenzdetektor vorzugsweise in einer Rowland-Anordnung angeordnet.

Vorzugsweise ist die Gitterkonstante des Beugungsgitters derart einstellbar, dass wirksame Beugung für vergleichsweise kurze Strahlungswellenlängen auftritt. Als kurze Strahlungswellenlängen und bevorzugte Anwendungen der Spektrometeranordnung werden hier Wellenlängen im EUV ("extremes Ultraviolett") angesehen, bevorzugterweise Strahlungswellenlängen zwischen 0,1 nm und 100 nm, weiter bevorzugt zwischen 1 nm und 50 nm und noch weiter bevorzugt zwischen 12 nm und 14 nm.

Eine erste bevorzugte geometrische Anordnung der Komponenten der Spektrometeranordnung sieht vor, dass die Oberfläche des Beugungsgitters konkav gekrümmt ausgebildet ist, und zwar in Form einer Teilfläche eines Zylinders oder einer Kugel. Hierbei ist es nicht wesentlich, dass die Oberfläche des Beugungsgitters exakt die Form der Zylinder- bzw. Kugelteilfläche aufweist. Es ist vielmehr wesentlich, dass die Oberfläche diese Form lediglich angenähert aufweist, wobei eine konkrete Ausgestaltung der Spektrometeranordnung unter Bedingungen des jeweiligen Einsatzes Abweichungen von dieser Form zulässt und gleichwohl eine ausreichende Leistungsfähigkeit der Spektrometeranordnung erzielt wird.

Bei dieser gekrümmten Ausbildung des Beugungsgitters sind dann ferner das Beugungsgitter, die zu vermessende Strahlungsquelle und eine Eintrittsblende des Strahlungsdetektors in einer sogenannte Rowland-Anordnung vorgesehen. Eine Spektrometeranordnung mit erhöhter Leistungsfähigkeit wird auch dadurch bereitgestellt, dass wenigstens eine der Komponenten zu vermessende Strahlungsquelle und Eintrittsblende des Strahlungsdetektors auf dem Zylinder bzw. der Kugel angeordnet sind.

Die Anordnung der Komponenten auf dem Rowland-Kreis oder dem Zylinder bzw. der Kugel dient dazu, bei gegebener Quellstärke der zu vermessenden Strahlungsquelle einen vergrößerten Raumwinkel der emittierten Strahlung auf den Detektor abzubilden, um die von diesem registrierte Strahlungsintensität und damit die Genauigkeit und Leistungsfähigkeit der Spektrometeranordnung zu erhöhen.

Zu eben diesem Zweck ist eine zweite bevorzugte geometrische Anordnung der Komponenten der Spektrometeranordnung vorgesehen, welche zur Fokussierung der an dem Beugungsgitter gebeugten Strahlung auf den Detektor eine konkave Spiegelfläche in Form einer Teilfläche eines Ellipsoids einsetzt. Hierbei ist der Strahlungsdetektor in einem ersten Brennpunkt des Ellipsoids angeordnet. Das Beugungsgitter ist zwischen der konkaven Spiegelfläche und dem zweiten Brennpunkt des Ellipsoids angeordnet, und zwar derart, dass die Oberfläche des Beugungsgitters quer zu einer Verbindungslinie zwischen Spiegelfläche und zweitem Brennpunkt orientiert ist.

Wird die zu vermessende Srahlung auf das Beugungsgitter gerichtet, so gibt es Strahlungsanteile, welche eine solche Wellenlänge aufweisen, dass die Strahlungsanteile unter einem solchen Winkel von dem Beugungsgitter zu dem Spiegel geworfen werden, dass sie aus der Sicht des Spiegels von dem zweiten Brennpunkt des Ellipsoids herrühren. Für diese Strahlungsanteile ist, mit anderen Worten, eine virtuelle Strahlungsquelle am zweiten Brennpunkt des Ellipsoids angeordnet. Diese virtuelle Strahlunsquelle wird durch den Ellipsoidspiegel auf den am ersten Brennpunkt des Ellipsoids angeordneten Strahlungsdetektor abgebildet und von diesem registriert. Strahlungsanteile der Strahlungsquelle, welche die hierfür erforderliche Wellenlänge nicht aufweisen, scheinen aus der Sicht des Spiegels von einer virtuellen Strahlungsquelle herzurühren, welche nicht mit dem zweiten Brennpunkt des Ellipsoids zusammenfällt. Diese Strahlungsanteile werden somit von dem Ellipsoidspiegel nicht auf den ersten Brennpunkt des Ellipsoids abgebildet und somit von dem Strahlungsdetektor auch nicht erfasst. Durch Ändern der Gitterkonstanten werden somit nach und nach Strahlungsanteile mit verschiedenen Wellenlängen von dem Strahlungsdetektor registriert, wodurch das Strahlungsspektrum der Strahlungsquelle bestimmbar ist.

Um den Ort der von dem Spiegel gesehenen virtuellen Strahlungsquelle für wenigstens eine Strahlungswellenlänge nahe am zweiten Brennpunkt des Ellipsoids anzuordnen, ist vorzugsweise ein Ort für die Anordnung der Strahlungsquelle vorgesehen, welcher von dem Beugungsgitter einen Abstand aufweist, der gleich dem Abstand zwischen dem Gitter und dem zweiten Brennpunkt des Ellipsoids ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine in der Spektrometeranordnung der Fig. 1 eingesetzte Oberflächenwellen- Bauanordnung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch die in Fig. 2 dargestellte Oberflächenwellen-Bauanordnung entlang der dort gezeigten Linie III-III,

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines im Zusammenhang mit der Spektrometeranordnung der Fig. 1 eingesetzten Messverfahrens und

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Spektrometeranordnung.

In Fig. 1 ist eine Spektrometeranordnung 1 als eine erste Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Diese umfasst eine Strahlungsquelle 3, deren Spektrum zu bestimmen ist, sowie ferner ein Beugungsgitter 5 mit veränderlicher Gitterkonstanten und einen Detektor 7. Das Beugungsgitter 5 mit veränderlicher Gitterkonstante ist durch eine Oberflächenwellen-Bauanordnung 9 realisiert, wie sie in den Fig. 2 und und 3 im Detail dargestellt ist.

Die Oberflächenwellen-Bauanordnung 9 umfasst einen Einkristall 11 aus piezoelektrischem Material, auf dessen polierter Oberfläche 13 Oberflächenwellen erzeugt werden. Die Oberflächenwellen erzeugen periodisch angeordnete Auslenkungen (Berge und Täler) der Oberfläche 11, welche optisch wirksam sind und somit periodisch angeordnete Beugungsstrukturen bilden, so dass die Oberfläche 11 mit deren darauf angeregten Oberflächenwellen als Beugungsgitter für aufgestrahlte elektromagnetische Wellen wirken kann.

Zur Anregung der Oberflächenwellen ist auf die Oberfläche 13 als elektromechanischer Wandler ein Satz Interdigitalelektroden 15 mit zwei Anschlüssen 17 und 19 zur Zuführung einer hochfrequenten elektrischen Spannung aufgebracht. Die Interdigitalelektroden 15 sind als zwei ineinandergreifende kammartige Strukturen 21 und 23 ausgebildet, von denen eine jede eine Mehrzahl von quer zu einer Längsachse 24 der Oberflächenwellenbauanordnung 9 angeordnete Fingerelektroden 25 und 27 umfasst. Jede zweite Fingerelektrode 25 ist über eine Leitung 29 mit dem Anschluss 17 verbunden, während jede der zwischen den Fingerelektroden 25 angeordnete weitere Fingerelektrode 27 über eine Leitung 31 mit dem Anschluss 19 verbunden ist.

Die Interdigitalelektroden 15 weisen einen Bereich 33 auf, in dem benachbarte Fingerelektroden 25, 27 mit einem Abstand d1 voneinander angeordnet sind, während in einem Bereich 35 der Interdigitalelektroden 15 benachbarte Fingerelektroden 25, 27 mit einem Abstand d2 voneinander angeordnet sind, welcher kleiner ist als der Abstand d1 des Bereichs 33. Eine solche Anordnung von Interdigitalelektroden 15, bei der nicht alle Fingerelektroden mit gleichem Abstand voneinander angeordnet sind sondern mehrere Bereiche vorgesehen sind, in denen die Fingerelektroden bereichsweise mit verschiedenen Abständen voneinander angeordnet sind, wird auch als sogenannte "Huckepack-Elektrodenanordnung" bezeichnet. Eine solche Huckepack-Elektrodenanordnung ist zur Erzeugung von Oberflächenwellen mit unterschiedlichen Wellenlängen besonders geeignet.

Durch Anlegen einer elektrischen Wechselspannung an die Anschlüsse 17 und 19 wird zwischen jeweils benachbarten Fingerelektroden 25, 27 ein elektrisches Wechselfeld erzeugt, welches auf der Oberfläche 13 des Einkristalls 11 Oberflächenwellen induziert. Die Wellenlänge der Oberflächenwellen ist dabei im wesentlichen durch die Frequenz der angelegten elektrischen Spannung bestimmt, wobei durch eine Änderung der Frequenz der elektrischen Spannung auch die Wellenlänge der Oberflächenwellen änderbar ist. Durch den Einsatz der Huckepack-Elektrodenanordnung ist der Bereich, in dem die Wellenlänge der Oberflächenwellen änderbar ist, vergleichsweise groß, da nämlich kurze Wellenlängen mit erhöhter Effizienz in dem Bereich 35 mit kleinem Abstand d2 zwischen benachbarten Fingerelektroden abgestrahlt werden, und Oberflächenwellen mit größerer Wellenlänge mit erhöhter Effizienz in dem Bereich 33 induziert werden, in dem benachbarte Fingerelektroden den größeren Abstand d1 voneinander aufweisen. Bei dazwischenliegenden Wellenlängen werden die Oberflächenwellen gemeinsam in den Bereichen 33, 35 induziert.

Die erzeugten Oberflächenwellen propagieren entlang der Achse 24 auf der Oberfläche 13 des Einkristalls 11, wobei auf der Oberfläche 13 in Fig. 2 rechts von den Interdigitalelektroden 15 ein durch gestrichelte Linien gekennzeichneter Bereich 37 vorgesehen ist, in dem sich die Oberflächenwellen weitgehend ungestört und kontinuierlich ausbreiten. Dieser Bereich 37 mit gleichförmiger Ausbreitung der Oberflächenwellen wird als optisch wirksamer Bereich für das Beugungsgitter 5 eingesetzt.

Um die gleichförmige Ausbreitung der Oberflächenwellen in dem Bereich 37 nicht durch an Rändern des Einkristalls 11 reflektierte Oberflächenwellen zu stören, ist auf der Oberfläche 13 des Einkristalls rechts von dem wirksamen Bereich 37 eine Dämpfungsmasse 39 auf die Oberfläche 13 aufgebracht, um Oberflächenwellen zu absorbieren, die den optisch wirksamen Bereich 37 durchlaufen haben und in den Bereich der Dämpfungsmasse 39 gelangen. Hierdurch wird vermieden, dass diese Oberflächenwellen bis zu den Rändern des Einkristalls 11 gelangen, von welchen sie zurück in den Bereich 37 reflektiert werden könnten.

Da die Interdigitalelektroden 15 ferner auch Oberflächenwellen erzeugen, welche sich in Fig. 2 nach links weg von den Interdigitalelektroden bewegen, ist links derselben eine weitere Dämpfungsmasse 41 auf die Oberfläche 13 des Einkristalls 11 aufgebracht, um diese für die Nutzung im Bereich 37 nicht verwendbaren Oberflächenwellen zu absorbieren, so dass auch diese nicht über Reflexionen an Rändern des Einkristalls 11 die Ausbreitung der gewünschten Oberflächenwellen in dem Bereich 37 stören.

Der Einkristall 11 ist wärmeleitend auf einen Kühlkörper 43 mit einer gekrümmten Oberfläche 44 aufgebracht, der Krümmungsradius R beträgt. Der Kühlkörper wird durch Leitungen 45 von einem Kühlmittel durchflossen.

Der Einkristall 11 ist aus Lithiumniobat, LiNbO₃, gebildet, der mittels eines Temperaturleitklebers auf den Kühlkörper 43 aufgebracht ist, der aus Kupfer gebildet ist. Die Abstände d1 und d2 zwischen benachbarten Fingerelektroden 25, 27 betragen 35 µm bzw. 25 µm. Die Interdigitalelektroden 15 werden vorzugsweise mittels eines lithografischen Verfahrens auf die Oberfläche 13 des Einkristalls 11 aufgebracht, wobei eine Breite d3 des wirksamen Bereichs 37 (Apertur) vorteilhafterweise 0,8 mm beträgt.

Die Frequenz der zur Erzeugung der Oberflächenwellen an die Anschlüsse 17, 19 angelegten Spannung variiert zwischen 100 und 200 MHz, wobei die in die Interdigitalelektroden 15 eingespeiste elektrische Leitung etwa 2 Watt beträgt. Bei dieser Auslegung können Oberflächenwellen mit Wellenlängen im Bereich zwischen 25 µm und 35 µm mit ausreichender Intensität erzeugt werden, um ein wirksames optisches Gitter zu bilden. Zur wärmeleitenden Ankopplung des Einkristalls 11 an den Kühlkörper 43 wird ein herkömmlicher Temperaturleitkleber eingesetzt.

Auf Grund der Krümmung des Kühlkörpers 43 ist auch die Oberfläche 13 des Einkristalls 11 in etwa mit dem Krümmungsradius R gekrümmt, so dass die das Beugungsgitter 5 bereitstellende Ebene an eine Zylinderteilfläche angenähert ist. In Fig. 1 ist die Zylinderfläche als Kreis 51 um einen Mittelpunkt M und Radius R dargestellt. Die Strahlungsquelle 3, deren Spektrum zu vermessen ist, und eine Eintrittsblende 53 des Strahlungsdetektors 7 sind ebenfalls auf der Zylinderfläche 51 angeordnet, so dass eine herkömmlicherweise als "Rowland-Anordung" bezeichnete Geometrie der Spektrometeranordnung gebildet ist.

Von der durch die Strahlungsquelle 3 emittierten Strahlung trifft ein Strahlenbündel 55 mit einem Zentralstrahl 57 auf das Beugungsgitter 5 und wird daran unter anderem in erster und in zweiter Ordnung gebeugt. Von der ersten Beugungsordnung trifft ein Teilstrahl 59 mit Zentralstrahl 61 in die Blende 53 des Detektors 7, so dass der Detektor 7 die Intensität des Teilstrahls 59 registriert und ein entsprechendes Messsignal abgibt. Der hierbei auftretende Beugungswinkel α ist durch die Gitterkonstante des Beugungsgitters 5 und die Wellenlänge λ_s des gebeugten Strahls 59 bestimmt. Ein Anteil der Strahlung 55, der eine hiervon abweichende Wellenlänge λ_s' aufweist, wird bei derselben Gitterkonstante um einen von dem Winkel α verschiedenen Winkel α' derart gebeugt, dass ein solcher in Fig. 1 mit 63 bezeichneter gebeugter Strahl nicht durch die Blende 53 in den Detektor 7 gelangt. Allerdings ist die Gitterkonstante des Beugungsgitters 5 derart änderbar, dass der Strahl 63 um den Winkel α gebeugt wird und in den Detektor 7 gelangt, wobei dann jedoch der Strahl 61 nicht mehr in den Detektor gelangt. Durch Andern der Gitterkonstante des Beugungsgitters 5 kann somit die Intensität der von der Strahlungsquelle 3 emittierten Strahlung in Abhängigkeit von deren Wellenlänge durch den Detektor 7 bestimmt werden.

In Fig. 1 ist auch ein Strahl 65 zweiter Beugungsordnung dargestellt, dessen Beugungswinkel von dem durch den Detektor 7 registrierten Beugungswinkel α so weit verschieden ist, dass er durch Ändern der Gitterkonstante in dem möglichen Bereich nicht in den Detektor 7 gelangen wird.

Eine schematische Funktionsdarstellung eines Aufbaus zur Vermessung des Spektrums der Strahlungsquelle 3 ist in Fig. 4 gezeigt. Der Aufbau umfasst eine Steuer- und Recheneinheit 71, welche für die Oberflächenwellen-Bauanordnung 9 eine Frequenz f an einen Frequenzgenerator 73 vorgibt, der eine Hochfrequenzleistung P mit der entsprechenden Frequenz f an die Anschlüsse 17, 19 der Interdigitalelektroden 15 der Oberflächenwellen-Bauanordnung 9 zuführt. Die von dem Detektor 7 registrierte Strahlungsintensität wird als ein Intensitätssignal I der Steuer- und Recheneinheit 71 zugeführt. Durch Ändern der Frequenz f in dem zugänglichen Bereich nimmt die Steuer- und Recheneinheit 71 die gebeugte Intensität I in Abhängigkeit von der Oberflächenwellenfrequenz f auf.

Es ist ferner ein Speicher 75 vorgesehen, in dem, der Zusammenhang zwischen der Anregungsfrequenz der Oberfläche und deren Wellenlänge λ_t abgespeichert ist. Über Zugriff auf den Speicher 75 bestimmt die Recheneinheit 71 sodann die gemessene Intensität I in Abhängigkeit von der Wellenlänge λ_o bzw. der Gitterkonstanten des Beugungsgitters 5. Aus dem bekannten Beugungsgesetz kann dies wiederum umgerechnet werden in die Strahlungsintensität in Abhängigkeit von der Strahlungswellenlänge λ_s, was das gewünschte Messergebnis, nämlich das Strahlungsspektrum darstellt, welches von der Recheneinheit 71 beispielsweise in Form eines Diagramms 77 auf einem Bildschirm dargestellt wird.

Für die Genauigkeit des gemessenen Strahlungsspektrums I (λ_s) ist es wesentlich, die Gitterkonstante λ_o bei gegebener Anregungsfrequenz f zu kennen. Da die Wellenlänge λ_o der Oberflächenwellen bei gegebener Frequenz f auch von der Temperatur der Oberfläche 13 der Oberflächenwellen- Bauanordnung 9 abhängt, ist zur Erzielung einer höheren Messgenauigkeit ein Temperatursensor 79 vorgesehen, der berührungslos die von der Oberfläche 13 emittierte Infrarotstrahlung registriert und hieraus ein die Oberflächentemperatur kennzeichnendes Temperatursignal T der Recheneinheit 71 zuführt.

Der Speicher 75 enthält dann Einträge, welche die Wellenlänge λ_o in Abhängigkeit von sowohl der Frequenz f als auch der Temperatur T angibt.

Für eine noch genauere Bestimmung der Wellenlänge λ_o in Abhängigkeit von der Anregungsfrequenz f umfasst die Spektrometeranordnung der Fig. 1 eine Referenzstrahlungsquelle 81, beispielsweise einen Helium- Neon-Laser, deren Strahlungswellenlänge sehr genau bekannt ist. Das Austrittsfenster der Referenzstrahlungsquelle 81 ist ebenfalls auf dem Rowland-Kreis 51 angeordnet, und ein von ihr emittierter Strahl 83 trifft unter einem vorbestimmten Winkel simultan mit der zu vermessenden Strahlung auf das Beugungsgitter 5 und wird auf einen ortsauflösenden Detektor 85 gebeugt, der ebenfalls auf dem Rowland-Kreis 51 angeordnet ist. Über den ortsauflösenden Strahlungsdetektor 85 kann der Winkel, unter dem der Referenzstrahl 83 von dem Beugungsgitter 5 gebeugt wird, sehr genau bestimmt werden, worauf sich unter Anwendung des Beugungsgesetzes auch die Gitterkonstante λ_o des Beugungsgitters 5 sehr genau bestimmen lässt. In Fig. 1 ist ein Ort 87 auf dem ortsauflösenden Detektor 85 angegeben, auf den der gebeugte Referenzstrahl 83 dann trifft, wenn der gebeugte Strahl 61 der zu vermessenden Strahlungsquelle 3 in die Eintrittsblende 53 des Detektors fällt. Wird die Gitterkonstante des Beugungsgitters 5 so weit verändert, dass der Strahl 63 auf den Detektor 7 fällt, so trifft der gebeugte Strahl der Referenzstrahlungsquelle 81 an dem Ort 89 auf dem Detektor 85 auf.

Somit kann die Gitterkonstante des Beugungsgitters 5 auch aus der über den ortsauflösenden Detektor 85 unmittelbar gemessenen Wellenlänge λ_o der Oberflächenwellen bestimmt werden.

Im folgenden werden Varianten der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Spektrometeranordnung erläutert. Hinsichtlich ihres Aufbaus und ihrer Funktion einander entsprechende Komponenten sind mit den Bezugszahlen aus den Fig. 1 bis 4 bezeichnet, zur Unterscheidung noch mit einem zusätzlichen Buchstaben versehen. Zur Erläuterung wird auf die gesamte vorangehende Beschreibung Bezug genommen.

In Fig. 5 ist eine Spektrometeranordnung 1a einer weiteren Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Diese umfasst einen Spiegel 91, dessen Spiegelfläche als Teilfläche eines Ellipsoids 93 ausgebildet ist. In einem ersten Brennpunkt 95 des Ellipsoids 93 ist eine Eintrittsblende 53a eines Strahlungsdetektors 7a angeordnet. Ein Beugungsgitter 5a mit veränderbarer Gitterkonstante ist quer auf einer Verbindungslinie zwischen dem Spiegel 91 und einem zweiten Brennpunkt 97 des Ellipsoids 93 angeordnet. Eine zu vermessende Strahlungsquelle 3a ist so angeordnet, dass von ihr emittierte zu vermessende Strahlung auf das Beugungsgitter 5a fällt und von diesem in Richtung zu dem Spiegel 91 gebeugt wird. Ein Strahlenbündel 55a mit Zentralstrahl 57a mit einer Wellenlänge λ_s wird von dem Beugungsgitter 5a unter einem solchen Winkel α gebeugt, dass dieses Strahlenbündel aus Sicht des Spiegels 91 von einer virtuellen Strahlungsquelle O zu stammen scheint, welche am zweiten Brennpunkt 97 des Ellipsoids 93 angeordnet ist.

Vom ersten Brennpunkt eines Ellipsoidspiegels stammende Strahlung wird durch den Ellipsoidspiegel bekanntlich auf den zweiten Brennpunkt des Ellipsoids abgebildet. Deshalb wird die Strahlung mit der Wellenlänge λ_s, die um den Winkel α gebeugt wird, über die Eintrittsblende 53a in den Strahlungsdetektor 7a eintreten, so dass dieser ein entsprechendes Messsignal I für die Intensität der Strahlung mit der Wellenlänge λ_s abgibt.

Die Strahlung der Strahlungsquelle 3a, die eine hiervon verschiedene Wellenlänge λ_s' aufweist, wird beispielsweise um einen von dem Winkel α verschiedenen Winkel α' gebeugt, wie dies in Fig. 5 für einen Zentralstrahl 99 dargestellt ist. Diese Strahlung scheint aus der Sicht des Spiegels von einer virtuellen Strahlungsquelle O' zu stammen, welche nicht an dem zweiten Brennpunkt des Ellipsoids 97 angeordnet ist. Entsprechend wird diese Strahlung nicht auf den Eintrittsspalt 53a des Detektors 7a abgebildet und von diesem auch nicht registriert, wie dies in Fig. 5 durch eine Reflexion 101 des Strahls 99 dargestellt ist.

Auch mit der in Fig. 5 dargestellten Spektrometeranordnung 1a kann somit die Intensität der von der Strahlungsquelle 3a emittierten Strahlung in Abhängigkeit von deren Wellenlänge λ_s bestimmt werden, wobei auch hier beispielsweise das im Zusammenhang mit Fig. 4 erläuterte Messverfahren eingesetzt werden kann.

Claims (16)

1. Spektrometeranordnung zur Bestimmung einer Strahlungswellenlänge (λ_s) einer von einer zu vermessenden Strahlungsquelle (3) emittierten Strahlung, umfassend:
ein Beugungsgitter (5), auf welches die Strahlung der zu vermessenden Strahlungsquelle (3) unter einem vorbestimmten Winkel einfällt,
einen Strahlungsdetektor (7) zum Empfang von an dem Beugungsgitter (5) unter einem vorbestimmten Winkel gebeugter Strahlung der zu vermessenden Strahlungsquelle (3),
dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (5) als ein Reflexionsgitter mit einer veränderbaren Gitterkonstante (λ_s) ausgebildet ist.

2. Spektrometeranordnung nach Anspruch 1, wobei eine Oberfläche (13), entlang der beugende Strukturen des Beugungsgitters (5) bereitgestellt sind, konkav gekrümmt ausgebildet ist, und zwar in Form einer Teilfläche eines Zylinders (51) oder einer Kugel.

3. Spektrometeranordnung nach Anspruch 2, wobei das Beugungsgitter (5), die zu vermessende Strahlungsquelle (3) und eine Eintrittsblende (53) des Strahlungsdetektors (7) zum Empfang der an dem Beugungsgitter gebeugten Strahlung in einer Rowland-Anordnung angeordnet sind.

4. Spektrometeranordnung nach Anspruch 2 oder 3, wobei die zu vermessende Strahlungsquelle (3) oder/und eine Eintrittsblende (53) des Strahlungsdetektors (7) zum Empfang der an dem Beugungsgitter (5) gebeugten Strahlung auf dem Zylinder (51) bzw. der Kugel angeordnet sind.

5. Spektrometeranordnung nach Anspruche 1, ferner umfassend einen Spiegel mit einer konkaven Spiegelfläche (91) in Form einer Teilfläche eines Ellipsoids (93) zur Reflexion von zu vermessender Strahlung, wobei der Strahlungsdetektor (7a) eine in einem ersten Brennpunkt (95) des Ellipsoids (93) angeordnete Eintrittsblende (53a) aufweist, wobei das Beugungsgitter (5a) zwischen dem Spiegel und einem zweiten Brennpunkt (97) des Ellipsoids (93) angeordnet ist, so dass die zu vermessende Strahlung auf das Beugungsgitter (5a) fällt und von diesem in Richtung zu dem Spiegel gebeugt wird.

6. Spektrometeranordnung nach Anspruch 5, wobei ein zur Anordnung der Strahlungsquelle (3a) vorgesehener Ort von dem Beugungsgitter (5a) einen Abstand aufweist, der gleich dem Abstand zwischen dem Beugungsgitter und dem zweiten Brennpunkt (97) des Ellipsoids (93) ist.

7. Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Beugungsgitter (5) durch Oberflächenwellen auf einer Oberfläche (13) einer Oberflächenwellen- Bauanordnung (9) bereitgestellt ist.

8. Spektrometeranordnung nach Anspruch 7, wobei die Oberflächenwellen-Bauanordnung (9) eine frequenzveränder­ liche Ansteuervorrichtung (73) zur Anregung der Oberflächenwellen aufweist.

9. Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 8, wobei die Oberflächenwellen-Bauanordnung (9) einen Temperatursensor (79) zur Bestimmung einer Temperatur (T) einer das Beugungsgitter bereitstellenden Oberfläche (13) aufweist.

10. Spektrometeranordnung nach Anspruch 9, wobei die Frequenz (f) durch die Ansteuervorrichtung (73) in Abhängigkeit von der Temperatur (T) der Oberfläche (13) einstellbar ist.

11. Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zur Bestimmung einer Gitterkonstanten (λ_s) des Beugungsgitters (5) eine Referenzstrahlungsquellen­ anordnung (81), deren Strahlung mit vorbestimmter Wellenlänge auf das Beugungsgitter (5) fällt, und ein Referenzdetektor zum Empfang von an dem Beugungsgitter (5) gebeugter Strahlung der Referenzstrahlungsquellen­ anordnung (81) vorgesehen sind.

12. Spektrometeranordnung nach Anspruch 11, wobei der Referenzdetektor ein ortsauflösender Zeilendetektor (85) ist.

13. Spektrometeranordnung nach Anspruch 11 oder 12 in Verbindung mit Anspruch 3, wobei die Referenzstrahlungsquelle (81) und der Referenzdetektor (85) in der Rowland-Anordnung angeordnet sind.

14. Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 11 bis 13 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Referenzstrahlungsquelle (81) oder/und der Referenzdetektor (85) auf dem Zylinder (51) bzw. der Kugel angeordnet sind.

15. Spektrometeranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei die Strahlungswellenlänge (λ_s) kurze Strahlungswellenlängen umfasst, insbesondere Strahlungswellenlängen zwischen 0,1 nm und 100 nm, weiter bevorzugt zwischen 1 nm und 50 nm und noch weiter bevorzugt zwischen 12 nm und 14 nm.

16. Verfahren zur Bestimmung einer Strahlungswellenlänge (λs) einer von einer zu vermessenden Strahlungsquelle (3) emittierten Strahlung mit der Spektrometeranordnung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, umfassend:
Anordnen der Spektrometeranordnung (1) bezüglich der Strahlungsquelle (3) derart, dass die zu vermessende Strahlung auf das Beugungsgitter (5) fällt, und
Messen der durch den Detektor (7) empfangenen Intensität (I) an am Beugungsgitter (5) gebeugter Strahlung.