DE1547216B1

DE1547216B1 - Vorrichtung zur Frequenz- bzw. Wellenlaengeneinstellung eines Spektrometers

Info

Publication number: DE1547216B1
Application number: DE19661547216
Authority: DE
Inventors: Mena Taoufik Ben; Robert Chabbal; Simon Gerstenkorn
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA
Current assignee: Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1965-07-21
Filing date: 1966-07-20
Publication date: 1970-01-02
Also published as: FR1459837A; CH459599A; BE683846A; US3475100A; ES329338A1; GB1151704A; SE300889B; NL6610135A; LU51584A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Einstellung des Frequenzbereichs bzw. der Bandbreite eines Spektrometers, das aus einem, an sich bekannten Gitter-Spektrometer und einem" ebenfalls an sich bekannten Fabry-Perot-Interferenz-Spektrometer (Interferometer) besteht.

Wenn man Hyperfeinstrukturen mit Hufe eines solchen Spektrometers untersuchen will, kann der Frequenzbereich des verwendeten Gitterspektrometers viel größer sein als das vom Fabry-Perot-Spektrometer erfaßte Intervall und bleibt während der Untersuchung unverändert; Wenn man im Gegensatz dazu sehr dichte Spektren unter Anwendung der Absorptionsspektrometrie untersuchen will, muß der Frequenzbereich des Gitter-Spektrometers genügend- eng sein, um die Durchgangsmaxima- des Fabry-Perot-Spektrometers, die dem gewünschten Maximum unmittelbar benachbart· sind, auszuschalten. Der Frequenzbereich des Gitter-Spektrometers ist jedoch etwa 25mal größer als der des Fabry-Perot-Spektrometers. Unter diesen Bedingungen ist es unbedingt erforderlich, daß bei der Erfassung des Spektrums der Frequenzbereich des Fabry-Perot-Spektrometers innerhalb des Frequenzbereichs des Gitter-Spektrometers bleibt, da nur unter dieser Voraussetzung die Gesamttransmission des Spektrometers während der Abtastung des Spektrums konstant bleibt.

Bekannte Spektrometer des oben definierten Typs besitzen Systeme zur Verstellung des Gitters, wodurch der Frequenzbereich des Gitter-Spektrometers verschoben werden kann. Diese mitführende Bewegung ist jedoch verhältnismäßig grob und erlaubt keine Verschiebung des Frequenzbereichs mit einer genügenden Genauigkeit für die obenerwähnte Aufgabe. Man muß also eine sehr langsame Erfassungsvorrichtung benutzen, von der man nur die Erfassung eines Freqüenzintervalls erwartet, das innerhalb des von einem Fabry-Perot-Spektrometer auszunutzenden Frequenzbereichs liegt, d. h. eines Intervalls von einigen cm"¹.

Ein Fabry-Perot-Spektrometer, das in der angegebenen Weise verwendet wird, besteht bekanntlich aus zwei Platten (z. B. aus Glas oder Quarz), deren gegenüberliegende Flächen vollständig plan und in einer Fassung parallel gehalten sind,, wobei die beiden Platten durch eine Gasschicht getrennt gehalten werden, deren Druck genauestens kontrolliert wird.

Die mittlere Wellenlänge der von einem derartigen Fabry-Perot-Spektrometer durchgelassenen Strahlung

ist —r—, wobei N der Index des zwischen den beiden

Glaszylindern eingeschlossenen Gases, e die Dicke der die beiden Zylinder trennenden Gasschicht und k eine ganze Zahl ist.

Man erhält eine lineare Erfassung des untersuchten Spektrums durch lineare Veränderung des Index N des zwischen den beiden Zylindern des Fabry-Perot-Spektrometers enthaltenen Gases, d. h. durch lineare Veränderung des Drucks dieses Gases. Außerdem muß man zur Verschiebung des Frequenzbereichs des Gitter-Spektrometers das Bild des Eintrittsspaltes vor dem Austrittsspalt vorbeifuhren. Eine solche Verschiebung kann auf bekannte Weise durch Drehung einer zwischen dem Eintrittsspalt und dem Kollimator des Gitter-Spektrometers angeordneten planparallelen Platte erhalten werden.

Zur Verschiebung des Frequenzbereichs des verwendeten Spektrometers muß man die bereits angegebene Bedingung einhalten, d. h. die Frequenzbereiche des Gitter-Spektrometers und des Fabry-Perot-Spektrometers gleichzeitig in der Art ver- - schieben, daß der Frequenzbereich des zweiten Geräts stets innerhalb des Frequenzbereichs des ersten Geräts liegt.

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, die Frequenz- bzw. Wellenlängeneinstellung eines an sich bekannten Gitter-Spektrometers mit einer Wellenlängeneinstellung durch eine planparallele Platte und . eines ebenfalls an sich bekannten Fabry-Perot-Spekfrometers, das durch Veränderung des Gasdrucks zwischen den Platten eingestellt wird, auf einfache Weise zu kuppeln.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vorrichtung, gekennzeichnet durch eine Stange, die zwischen einem Stapel von dem Druck/? des Gases im Fabry-Perot-Spektrometer unterworfenen Manometerkapseln und einem Stapel von einem Vergleichsdruck unterworfenen Manometerkapseln eingespannt ist und dadurch eine geradlinige Verschiebungsbewegung erfährt, wobei sie einen Hebel mitnimmt, der auf einer Welle befestigt ist und durch seine Drehung die Winkelstellung der planparallelen as Platte des Gitter-Spektrometers steuert, und daß der Angriffspunkt der Stange am Hebel sich linear in Abhängigkeit von der mittleren Wellenlänge des untersuchten Strahlungsbereichs verschiebt.

Diese Vorrichtung funktioniert in befriedigender Weise, sie ist einfach gebaut und läßt sich rasch einstellen.

Zur Erläuterung der Einzelheiten der Erfindung ist im folgenden ein Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Erläuterung bezieht sich auf die Zeichnung. Hierin ist

F i g. 1 ein Funktionsschema der erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 2 eine perspektivische Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

F i g. 3 ein Schnitt einer Vorrichtung, die eine Verschiebung proportional zur Veränderung des Gasdrucks im Fabry-Perot-Spektrometer bewirkt,

F i g. 4 eine Ansicht der in F i g. 3 gezeigten Vorrichtung in einer senkrechten Ebene,
F i g. 5 die Vorrichtung zur Orientierung der planparallelen Platte.

Die Beziehung zwischen dem Drehwinkel der planparallelen Platte des Gitter-Spektrometers und der Veränderung des Gasdrucks im Fabry-Perot-Spektrometer läßt sich berechnen. Wenn Osb die Wellenzahl ist, die dem vom Fabry-Perot-Spektrometer durchgelassenen Spektrum entspricht, bewirkt eine Veränderung dp des Gasdrucks eine Veränderung der Wellenzahl wie folgt:

= —ti G dp ,

wobei y. der charakteristische Koeffizient des jeweiligen Gases ist.

Außerdem wird die Veränderung der der Breite des Gitter-Spektrums entsprechenden Wellenzahl durch die folgende Beziehung gegeben:

er e cos ι nKF

dtx,

worin e die Dicke der planparallelen Platte, i der Gitteraustrittswinkel des Gitter-Spektrometers, η die Strichzahl des Gitters pro Zentimeter, K die Ordnung der bei diesem Gitter verwendeten Interferenz, F die

Brennweite des Gitter-Spektrometers und da der Drehwinke] der planparallelen Platte ist.

Man erhält eine gleichzeitige Verschiebung der von den beiden Vorrichtungen Gitter-Spektrometer und Fabry-Perot-Spektrometer erfaßten Spektren, wenn

= da μ ,

was auch in folgender Form geschrieben werden kann:

IO

, -y. nKF dtx = dp .

σ e cos i

Wie ersichtlich, ist also die Plattendrehung Joe proportional der Druckveränderung dp in der Kammer des Fabry-Perot-Spektrometers. Insbesondere ist zu bemerken, daß der Proportionalitätsfaktor proportional — = λ ist, wobei λ die Arbeitswellenlänge ist.

Das Funktionsschema der F i g. 1 erläutert die »o Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Es zeigt teilweise ein Spektrometer 2, das aus einem Gitter-Spektrometer mit einer planparallelen Platte 6 und einem Fabry-Perot-Spektrometer 10 besteht, wobei das Gitter-Spektrometer einen Teil des von der Quelle 8 ausgesandten Lichts zum Fabry-Spektor-Perot-Spektrometer weiterleitet. Letzterer besteht aus zwei Glasscheiben 12,14, die in einer Fassung parallel gehalten werden, wobei sich zwischen den beiden Scheiben ein Gas befindet.

Der Eintrittsspalt 16 des Gitter-Spektrometers wird von der Lichtquelle 8 beleuchtet, und das durch- - gelassene Licht geht durch die planparallele Platte 6, bevor es auf das (nicht gezeigte) Gitter fällt. Das vom Gitter reflektierte Licht wird zum Austrittsspalt 18 gesandt und das austretende Bündel zum Fabry-Perot-Spektrometer 10 geleitet.

Der Gasdruck in der Kammer des Fabry-Perot-Spektrometers wird von einer Vorrichtung 20 geregelt, wobei die von diesem festgestellten Druck-Veränderungen an eine Vorrichtung 22 weitergeleitet werden, die die Ausrichtung der planparallelen Platte 6 in der Weise regelt, daß der Drehwinkel der planparallelen. Platte proportional der Druckveränderung im Fabry-Perot-Spektrometer ist.

Während die F i g. 2 die Vorrichtung 22 im ganzen zeigt, zeigen die F i g. 3, 4 und 5 Einzelheiten derselben.

Aus F i g. 2 ist einerseits eine erste Stellvorrichtung 23 ersichtlich, die eine Verschiebung derStange24 proportional zur Druckveränderung in der Kammer des Frequenzbereichselektors bewirkt, und andererseits eine Drehvorrichtung 26 (F i g. 2 und 5), die diese Verschiebung in eine Drehung der planparallelen Platte umsetzt.

Die Stange 24 ist zwischen zwei Stapeln von in der Stellvorrichtung 23 gehaltenen Manometerkapseln eingespannt. Ein erster Stapel 28 ist mit der Kammer des Fabry-Perot-Spektrometers verbunden und ein zweiter Stapel 30 einem Vergleichsdruck unterworfen. In den F i g. 2, 3 und 4 sind nur einige der Kapseln jedes Stapels gezeigt.

Die Verschiebung der Stange 24 wird durch die Differentialwirkung des Drucks/> auf die Manometerkapseln 28 erhalten. Die Verwendung derartiger Manometerkapseln ist wegen ihrer Lineaiäi
teilhaft. Der zweite Stapel 30 dient dazu,
der atmosphärischen Schwankungen au

Bei Eintreten einer Druckveränderung φ| <äsr Kammer des Fabry-Perot-Spektrometers ist ämxialte Spektralbereich da — —y.adp, und die JäageJS verschiebt sich um eine Strecke dx = hn4p,wom η die Anzahl der Kapseln im Stapel und h eküarätteristischer Koeffizient der verwendeten KagÄ äSL

Der Ständer 32, in dem die Kapseln gehaÜSa süüji, ist so konstruiert, daß die Bewegungen der Stege-SS nicht nur eine reine Verschiebung zur Folgsiaben. Die geradlinigen Verschiebungen der StaBgiH bewirken Winkelverschiebungen des Hebels 3S,eäer m. der die Platte 6 mitnehmenden Welle 38 beMgt M.

Da der Koeffizient der Proportionalität Sascha doi und dp von der Wellenlänge abhängigst nBÜ man ihn kontinuierlich regeln können. Das^scnie&J durch Veränderung des Abstands der DrelaÄseäl von der Stange 24 durch Verschiebung des & Kapseln tragenden Ständers 32, wobei der Ständersiittäs einer Feineinstellvorrichtung 36 "zur Einste&^ na kleine Strecken verschoben werden kann.

Die Eichung der Länge des Hebelarms, äLi. Ss Regelung der Stellung des Ständers 32, muBwr dar Benutzung des Geräts vorgenommen werdest Diese Eichung ist jedoch nicht sehr kritisch. Die Blahrui|g hat gezeigt, daß man sie nicht erneut
muß, wenn der Frequenzbereich des
Spektrometer in einem Bereich bis zu 100 csr¹ Iiejg.

Offensichtlich muß man vor der gleufcitigei Verschiebung der Frequenzbereiche von Fater^Perei-Spektrometer 10 und Gitter-Spektrometer 4 fe Mittelbereiche zur Koinzidenz bringen. Die Grobä^eluig geschieht durch Drehung des nicht gezeigtes CÜtteis des Gitter-Spektrometers um seine Achse, «ihrenl die Feinregelung durch Einstellung des Vsgieichsdrucks P₁ der Kapseln 30 erhalten wird. Disss Eisstellung bewirkt eine Verschiebung der Sta^e um dx = hndp_x und führt zu einer Drehung der plaa· parallelen Platte 6.

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur gleichzeitigen Frequenz- bzw. Wellenlängeneinstellung eines an sich bekanntes Gitter-Spektrometers mit einer Wellenlää^eneiastellung durch eine planparallele Platte uad eines ebenfalls an sich bekannten Fabry-Perot-Spektrometers, das durch Veränderung des Gasdrucks zwischen den Platten eingestellt wird, gekennzeichnet durch eine Stange (24), die zwischen einem Stapel (28) von dem Druck- des Gases im Fabry-Perot-Spektrometer unterworfenen Manometerkapseln und einem Stapel (30) von einem Vergleichsdruck unterworfenen Manometerkapseln eingespannt ist und dadurch eine geradlinige Verschiebungsbewegung erfährt, wobei sie einen Hebel (34) mitnimmt, der auf einer Welle (38) befestigt ist und durch seine Drehung die Winkelstellung der planparallelen Platte (6) steuert, und daß der Angriffspunkt der Stange (24) am Hebel (34) sich linear in Abhängigkeit von der mittleren Wellenlänge des untersuchten Strahlungsbereichs verschiebt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen