DE19814660C1

DE19814660C1 - Gitterspektrometer und Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht

Info

Publication number: DE19814660C1
Application number: DE1998114660
Authority: DE
Inventors: Peter Krippner; Juergen Mohr; Hartmut Kumm
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 1998-04-01
Filing date: 1998-04-01
Publication date: 1999-10-21
Anticipated expiration: 2018-04-02

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gitterspektrometer und ein Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht vorzuschlagen, bei dem in Wellenlängenbereichen oberhalb und unterhalb der Blaze-Wellenlänge die Intensität von gebeugtem und reflektiertem Licht höher ist als bei Gitterspektrometern, deren Blaze-Wellenlänge der Mitte des interessierenden Wellenlängenbereichs entspricht. Die Aufgabe wird gelöst durch ein Gitterspektrometer und ein Verfahren, bei dem aus dem weißen Licht ein detektierbarer Spektralbereich von lambda¶1¶ nm bis lambda¶2¶ nm ausgewählt wird, wobei lambda¶2¶ [(n + 1)/n] lambda¶1¶ und wo n die spektrale Ordnung darstellt, das Licht des ausgewählten Spektralbereichs auf ein Blaze-Gitter geleitet wird, dessen Blaze-Wellenlänge ungefähr lambda¶2¶ entspricht, wobei der Spektralbereich reflektiert und in mindestens zwei spektralen Ordnungen gebeugt wird, das reflektierte und gebeugte Licht auf einen linearen Zeilendetektor geworfen wird, dessen geometrische Anordnung so gewählt ist, daß eine erste und eine zweite spektrale Ordnung des Spektralbereichs unmittelbar nebeneinander detektiert werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Gitterspektrometer gemäß dem ersten Patentanspruch und ein Verfahren zur Messung spektraler Inten sitäten von weißem Licht gemäß dem zweiten Patentanspruch.

C. Müller und J. Mohr beschreiben in INTERDISCIPLINARY SCIENCE REVIEWS, 1993, Vol. 18, No. 3, Seiten 273 bis 275 ein durch das sogenannte LIGA-Verfahren hergestelltes Mikrospektrometer mit einem Blaze-Gitter. Die Funktionsweise des Blaze-Gitters wird anhand von Zeichnungen und der Blaze-Gleichung erläutert. Das Blaze-Gitter besteht aus einer konkaven, treppenstufenförmigen Anordnung von einzelnen Gitterstufen, deren Apexwinkel, Gitter stufenkonstante und Höhe entsprechend der Blaze-Gleichung aus gewählt werden. Trägt man die Intensität des am Blaze-Gitter gebeugten und reflektierten Lichts gegen die Wellenlänge auf, ergibt sich für die erste und für weitere Ordnungen ein Maximum bei der Blaze-Wellenlänge und ein je nach der betrachteten spektralen Ordnung mehr oder weniger ausgeprägter Abfall der Intensitäten von Licht höherer oder niedrigerer Wellenlänge. Aus einem Diagramm geht hervor, daß bei einer Blaze-Wellenlänge von 740 nm die Intensität in der ersten Ordnung unterhalb von 500 nm nahezu Null wird; bei einer Wellenlänge von 1100 nm ist die Intensität auf mehr als die Hälfte abgefallen. Die Veröf fentlichung lehrt, daß das Blaze-Gitter in der Weise gestaltet wird, daß die Blaze-Wellenlänge in der Mitte des interessieren den Wellenlängenbereichs liegt. Bei der gewählten Anordnung er hält man jedoch nur die erste spektrale Ordnung und es muß ein Intensitätsabfall bei höheren und niedrigeren Wellenlängen in Kauf genommen werden.

Eine ausführlichere Darstellung dieses Sachverhalts findet sich bei C. Müller und J. Mohr: Miniaturisiertes Spektrometersystem in der LIGA-Technik, Wissenschaftliche Berichte des Forschungs zentrums Karlsruhe GmbH, FZKA 5609 (1995) 10-12.

Aus der EP 0 502 866 B1 ist ein Zweistrahl-Spektrometer be kannt, bei dem das Licht einer Lichtquelle mit einem Strahltei ler in einen Meß- und einen Referenzstrahl zerlegt wird. Der Meßstrahl gelangt über einen Eintrittspalt auf ein konkaves Gitter und wird von diesem in ein Spektrum der Ordnung +1 und ein Spektrum der Ordnung -1 zerlegt. In analoger Weise wird der Referenzstrahl zerlegt. Die Spektren des Meß- und des Referenz strahls werden aneinander anschließend auf ein Detektorarray geworfen. Diese Anordnung enthält kein Blaze-Gitter.

Aus J. F. James, R. S. Sternberg: The Design of Optical Spectrometers (1969) Chapman and Hall Ltd, Kapitel 5.5, geht im Zusammenhang mit dem Problem überlappender Ordnungen hervor, daß aus weißem Licht ein Spektralbereich von λ₁ bis λ₂ selek tiert werden kann, wobei λ₂ ≦ [(n ± 1)/n] λ₁ ist, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)- Zeichen für negative n gilt.

Aus der EP 98 423 B1 geht hervor, daß Spektren verschiedener Ordnungen auf einem Detektorarray abgebildet werden können. Da bei werden die Spektren der verschiedenen Ordnungen jedoch nicht voneinander getrennt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gitterspektrometer und ein Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht vorzuschlagen, bei dem in Wellenlängenbereichen oberhalb und unterhalb der Blaze-Wellenlänge die Intensität von gebeugtem und reflektiertem Licht höher ist als dies bei dem Gitterspek trometer und dem Verfahren nach C. Müller und J. Mohr der Fall ist; das heißt, die Intensität soll bei Wellenlängen, die sich von der Blaze-Wellenlänge unterschieden, weniger stark abfallen als beim Stand der Technik.

Die Aufgabe wird durch das im ersten Patentanspruch beschrie bene Gitterspektrometer und durch das im zweiten Patentanspruch umrissene Verfahren gelöst. In den weiteren Ansprüchen sind be vorzugte Ausgestaltungen des Verfahrens angegeben.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren und beim erfindungsgemäßen Gitterspektrometer wird aus weißem Licht ein detektierbarer Spektralbereich von λ₁ nm bis λ₂ nm ausgewählt, wobei λ₂ ≦ [(n ± 1)/n] λ₁ ist und n eine erste und (n ± 1) eine zweite spek trale Ordnung angeben; n kann somit ganzzahlige positive oder negative Werte annehmen. Für positive Ordnungen ist das Plus zeichen zu berücksichtigen, für negative Ordnungen das Minus zeichen. Die beiden Ordnungen sind einander benachbart. Vor zugsweise werden die erste und die zweite Ordnung eingesetzt. In diesem Fall ergibt sich λ₂ ≦ 2 λ₁.

Bevorzugt wird ein Spektralbereich im IR-Bereich, besonders bevorzugt im Bereich zwischen ca. 1000 nm und 2000 nm ausge wählt. Dieser Spektralbereich ist zur Analyse einer Vielzahl von chemischen Verbindungen besonders geeignet.

Die Auswahl des detektierbaren Spektralbereichs kann durch ent sprechende optische Filter, z. B. durch Lang- oder Kurzpaßfil ter, erfolgen. Mit dem gleichen Erfolg kann ein Zeilendetektor eingesetzt werden, der nur bis zu der oberen oder der unteren Wellenlängengrenze des detektierbaren Spektralbereichs empfind lich ist. In diesem Fall werden entweder die obere oder die un tere Grenze oder gegebenenfalls auch beide Grenzen des ausge wählten Spektralbereichs durch den Zeilendetektor definiert. Beispielsweise ist ein InGaAs-Detektor nur für Wellenlängen un terhalb von ca. 1800 nm empfindlich. Alternativ können direkt auf den Zeilendetektor eine oder mehrere Schichten, die als op tische Filter wirken, aufgebracht werden. Geeignete Filter schichten sind beispielsweise Silicium- oder Indiumarsenid- Schichten.

Für die Lösung der gestellten Aufgabe ist von besonderer Bedeu tung, daß ein solches Blaze-Gitter eingesetzt wird, bei dem die Blaze-Wellenlänge nicht im mittleren Bereich des ausgewählten detektierbaren Spektralbereichs liegt, sondern an seinem oberen Ende.

Das Licht des ausgewählten Spektralbereichs wird von dem ent sprechend der Blaze Gleichung gestalteten Blaze-Gitter gebeugt und reflektiert, wobei zumindest zwei spektrale Ordnungen auf treten. Mit einem Zeilendetektor werden zumindest eine erste und eine zweite Ordnung detektiert, wobei die Spektren der er sten und der zweiten Ordnung einander benachbart sind. Die Länge des Zeilendetektors soll daher mindestens so bemessen sein, daß seine Ränder definiert sind durch die Lage der Wel lenlänge λ_x, wobei der erste Rand der Lage der Wellenlänge λ_x der ersten Ordnung und der zweite Rand Lage der Wellenlänge λ_x der zweiten Ordnung entspricht, wenn λ_x die Wellenlänge der ersten und der zweiten Ordnung definiert, bei der die Intensität gleich ist.

Als Zeilendetektor können lineare Anordnungen von lichtempfind lichen Einzelelementen (Pixel) eingesetzt werden, bei denen so wohl der Abstand als auch die Breite gleich oder unterschied lich sein können. Der Zeilendetektor ist vorzugsweise so ausge legt, daß die Einzelelemente an die unterschiedliche Dispersion der jeweiligen Ordnung angepaßt ist, so daß eine gleichmäßige Auflösung erreicht wird.

Erfindungsgemäß werden daher diejenigen Spektralbereiche sowohl der ersten als auch der zweiten Ordnung genutzt, bei denen die Intensitäten hoch sind. Vergleicht man die Intensitäten inner halb einer vorgegebenen Bandbreite von Wellenlängen gemäß der Erfindung und gemäß dem Stand der Technik miteinander, so sind erfindungsgemäß die Intensitäten insbesondere an den Rändern der vorgegebenen Bandbreite deutlich höher. Mit dem erfindungs gemäßen Gitterspektrometer und dem erfindungsgemäßen Verfahren können daher Wellenlängen, die sich von der Blaze-Wellenlänge unterscheiden, mit höherer Intensität detektiert werden. Dies ist insbesondere beim Einsatz des Gitterspektrometers und des Verfahrens zur Analyse von chemischen Verbindungen ein wesent licher Vorteil.

Das erfindungsgemäße Gitterspektrometer kann in gleicher Weise wie das von C. Müller und J. Mohr beschriebene mit Hilfe des sogenannten LIGA-Verfahrens (Röntgentiefenlithographie und nachfolgende galvanische Abformung) hergestellt werden. Es läßt sich daher in gleicher Weise miniaturisieren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines Ausführungsbei spiels und zwei Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung der für das Ausfüh rungsbeispiel eingesetzten Anordnung;

Fig. 2 zeigt die mit dem Zeilendetektor der Anordnung regi strierten Intensitäten in Zählraten pro Nanowatt [nW] einge strahlte optische Leistung und Millisekunden [ms] Integrations zeit des Detektors in Abhängigkeit der Pixelnummer des Zeilen detektors.

Fig. 1 stellt schematisch die für das Ausführungsbeispiel ein gesetzte Anordnung dar. Es handelt sich um eine Anordnung, die es erlaubt, den Spektralbereich von 1000 nm bis 1800 nm zu ana lysieren, wobei die maximale Empfindlichkeit des Gesamtsystems in der Nähe der langwelligen Grenze bei 1700 nm liegt.

Das zu analysierende weiße Licht 1 wird über ein Langpaßfilter 2 mit einer Kante bei 1000 nm begrenzt. Der Einsatz eines Kurz paßfilters zur Begrenzung des Spektralbereichs am langwelligen Ende entfällt, da der eingesetzte Zeilendetektor 5 mit 150 Pi xeln aus InGaAs diese Begrenzung aufgrund seiner spektralen Empfindlichkeit, die bei 1800 nm endet, übernimmt.

Das gefilterte Spektralsignal 3 trifft auf ein konkaves Blaze- Gitter 4, das den Spektralbereich gemäß der Blaze-Gitterglei chung beugt, reflektiert und fokussiert. Das Gitter ist auf 1750 nm in erster Ordnung geblazed und hat hier seine größte Effizienz. Die Gesamtempfindlichkeit der Anordnung ist aufgrund der Zeilenempfindlichkeit bei 1700 nm maximal. Der Zeilendetek tor 5 wird nun so angeordnet, daß der Fokuspunkt der Wellen länge 1250 nm in erster Ordnung 6 an seinem einen Ende (genau: Pixel 13) und der Fokuspunkt der Wellenlänge 1250 nm zweiter Ordnung 7 an seinem anderen Ende (genau: Pixel 137) liegt. Dies führt dazu, daß der Fokuspunkt der längsten zu analysierenden Wellenlänge (1800 nm) in erster Ordnung (Pixel 67) und der kür zesten Wellenlänge (1000 nm) in zweiter Ordnung (Pixel 88) im Mittelbereich des Zeilendetektors zu liegen kommen, ohne daß sich die spektralen Teilbereiche 1000 nm bis 1250 nm und 1250 nm bis 1800 nm örtlich überlappen; sie können somit fehlerfrei ausgelesen werden.

Die Detektorsignale beider Teilbereiche lassen sich in einer nachfolgenden Meßwertverarbeitung zusammensetzen, wodurch es möglich wird, den Bereich 1000 nm bis 1800 nm ohne Unterbre chung zu analysieren.

Die Anordnung bietet den Vorteil, daß der Bereich 1000 nm bis 1250 nm mit einer im Vergleich zum Bereich 1250 nm bis 1800 nm verbesserten spektralen Auflösung detektiert wird, da in zwei ter Ordnung gearbeitet wird.

Claims

1. Gitterspektrometer zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht mit

a) mindestens einer Vorrichtung (2, 5), die aus dem weißen Licht einen zu detektierenden Spektralbereich von λ₁ bis λ₂ selektiert, wobei λ₂ ≦ [(n ± 1)/n] λ₁, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)- Zeichen für negative n gilt,
b) zusätzlich einem Blaze-Gitter (4), dessen Blaze-Wellenlänge bei λ₂ liegt, und das den selektierten, zu detektierenden Spektralbereich beugt und auf einen Zeilendetektor (5) reflektiert, wobei
c) der Zeilendetektor (5) derart angeordnet ist, daß er sich mindestens zwischen dem Ort einer in n-ter spektraler Ordnung gebeugten Wellenlänge λ_x und dem Ort der in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Wellenlänge λ_x erstreckt, wobei λ_x dadurch bestimmt ist, daß die in n-ter spektraler Ordnung gebeugten und die in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Intensitäten von λ_x gleich sind.

2. Verfahren zur Messung spektraler Intensitäten von weißem Licht wobei

a) aus dem weißen Licht ein zu detektierender Spektralbereich von λ₁ bis λ₂ selektiert, wobei λ₂ ≦ [(n ± 1)/n] λ₁, n die spektrale Ordnung angibt und das (+)-Zeichen für positive n und das (-)-Zeichen für negative n gilt,
b) das Licht des selktierten, zu detektierenden Spektralbereichs mit einem Blaze-Gitter (4), dessen Blaze-Wellenlänge bei λ₂ liegt, gebeugt und auf einen Zeilendetektor (5) reflektiert wird, wobei
c) der Zeilendetektor (5) derart angeordnet wird, daß er sich mindestens zwischen dem Ort einer in n-ter spektraler Ordnung gebeugten Wellenlänge λ_x und dem Ort der in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Wellenlänge λ_x erstreckt, wobei λ_x dadurch bestimmt ist, daß die in n-ter spektraler Ordnung gebeugten und die in (n ± 1)-ter Ordnung gebeugten Intensitäten von λ_x gleich sind.

3. Verfahren nach Anspruch 2 mit einem detektierbaren Spek tralbereich im Infrarot-Bereich.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der detektierbare Spektralbereich ausgewählt wird, indem ein Zeilendetektor eingesetzt wird, der ein entsprechendes Kantenfilter dar stellt.

5. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, bei dem der detektierbare Spektralbereich ausgewählt wird, indem zwischen dem Blaze- Gitter und dem Zeilendetektor ein Kantenfilter angeordnet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, bei dem die Pi xelgeometrie des Zeilendetektors entsprechend der unter schiedlichen spektralen Auflösung der Ordnungen gewählt wird.