WO2005040740A1 - Hochauflösendes spektrometer - Google Patents

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WO2005040740A1
WO2005040740A1 PCT/EP2004/009914 EP2004009914W WO2005040740A1 WO 2005040740 A1 WO2005040740 A1 WO 2005040740A1 EP 2004009914 W EP2004009914 W EP 2004009914W WO 2005040740 A1 WO2005040740 A1 WO 2005040740A1
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WO
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dispersing element
spectrometer according
spectrometer
detector
grating
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/009914
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ross Helmut Becker
Stefan Florek
Günter WESEMANN
Original Assignee
Gesellschaft zur Förderung angewandter Optik, Optoelektronik, Quantenelektronik und Spektroskopie e.V.
Gesellschaft zur Förderung der Spektrochemie und angewandten Spektroskopie e.V.
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Filing date
Publication date
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Publication of WO2005040740A1 publication Critical patent/WO2005040740A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/1809—Echelle gratings
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating
    • G01J3/22—Littrow mirror spectrometers

Definitions

  • the invention relates to a high-resolution spectrometer with an entrance slit, a dispersing element, camera optics, and a detector arrangement with a
  • Detector which are arranged similar to one another in a manner similar to a Littrow arrangement so that radiation which enters the spectrometer through the entrance slit can be conducted onto the dispersing element by means of the camera optics, and then can be conducted back up to a small angle via the same camera optics and can be focused on the detector, means being provided for producing a multiple dispersion by the dispersing element.
  • a high-resolution spectrometer is known from DE 199 61 908 C2, in which
  • Radiation from an entrance slit is directed onto an Echelle grating by means of camera optics.
  • the Echelle grating is positioned so that the single dispersed beam from the Echelle grating first to one to create a double grating pass Plane mirror is bent. The radiation is reflected back at the plane mirror. The beam then runs again over the grating and back over the camera optics towards a detector. By slightly tilting the plane mirror, the radiation is directed out of the main plane of the beam path.
  • the location of the spectrum which is formed from the monochromatic images of the entrance slit, lies above or below the entrance slit. There the spectrum is registered by means of a detector.
  • the beam path can be changed by a suitable grating rotation so that the beam runs back directly from the grating. Then a simple dispersion is realized.
  • the theoretical resolution R in a grating spectrometer is determined by the total number of grating grooves N and the diffraction order m. With double passage over the grating, an increased spectral resolution can be achieved compared to the single passage.
  • the object of the invention is a high-resolution spectrometer of the type mentioned
  • the object is achieved in that the means for producing the multiple dispersion comprise at least two reflective, flat surfaces which form a right angle with one another and which the dispersed and focused radiation first in the direction of one of the other reflecting surfaces and then in the direction of reflect the dispersing element back, and which are arranged relative to the entry slit in such a way that the entry slit is in the intersection of the planes defined by the reflecting surfaces.
  • the incoming beam runs from the entrance slit onto camera optics.
  • the camera optics generate a parallel beam.
  • the beam passes over the dispersing element and is dispersed there for the first time.
  • the dispersed radiation runs from the dispersing element back to the camera optics, which focuses the radiation in the plane of the entrance slit.
  • the returning jet does not run back exactly from itself from the dispersing element, but forms a small angle with the incoming jet within the dispersion plane.
  • the dispersion level is defined by the incoming and the deflected beam at the dispersing element. The angle is so small that the aberrations remain small.
  • Within the dispersion plane there is a reflecting surface on both sides of the entrance slit, for example two small plane mirrors.
  • the returning beam does not run back to the entrance slit, but hits one of the reflecting surfaces.
  • the reflective surfaces form a right angle with each other.
  • the returning beam is therefore deflected by the first reflecting surface before the focus and strikes the second reflecting surface. There the beam is redirected again. The image is reversed. After the twofold deflection, the beam runs back into itself a small distance offset from one another.
  • the parallel incoming jet hits the dispersing element for a second time, where it is redispersed.
  • the beam that returns again is then directed past the edge of the reflecting surface next to the entrance slit onto a detector which is located directly next to the reflecting surface in the plane of the entrance slit.
  • the angle of deflection at the dispersing element is reduced so that the first returning beam strikes the reflecting surface closer to the entrance slit.
  • the second and each further returning beam strikes the reflecting surface somewhat offset further away until the last returning beam falls past the reflecting surface onto the detector as described above.
  • the resolution can therefore be increased significantly.
  • the size of the components does not change.
  • the optical beam path for all passes between the
  • the dispersing element can be formed by a diffraction grating, in particular an Echeller grating.
  • a prism can be used.
  • the reflecting surfaces can be formed by mirrors. Instead of two mirrors arranged at right angles to each other, the reflecting surfaces of a prism can also be used, which form a right angle.
  • the edge on which the right angle is formed the light can enter the spectrometer through the prism. This flattening then takes up the entry gap or it is formed directly by it.
  • a further reflecting surface is provided, and the dispersing element is arranged between the camera optics and this further reflecting surface in such a way that the dispersed light from the dispersing
  • Element is first directed directly onto the reflective surface, then back onto the dispersing element and only then back onto the camera optics. Then a double pass on the dispersing element is realized in one cycle.
  • the camera optics is preferably formed by a parabolic mirror. This results in a compact arrangement of high image quality without chromatic errors and with low loss n.
  • the detector arrangement comprises an optical system for enlarged imaging of the spectrum on the picture elements of the detector.
  • This optic can be formed by two cylindrical lenses or mirrors. With such an optical system, the high-resolution spectrum is enlarged, that is, in particular with the height remaining the same, "pulled apart" in width. Then the spectrum can be used larger detector elements are recorded without the resolution deteriorating.
  • the dispersing element is preferably rotatable about an axis perpendicular to the dispersion plane.
  • the rotation can be carried out using suitable means, for example a
  • Stepper motor and a computer can be automated. Then the change of the inspection area, i.e. of the spectral range under consideration can be carried out in a particularly simple manner. For example, if the spectral environment of a line is to be examined, the inspection area can be enlarged by placing the grating or prism on a single pass. The returning beam runs from
  • the reflecting surfaces each have an angle of 45 degrees to the optical axis of the light beam entering through the entrance slit. Then the arrangement is arranged symmetrically about the optical axis and the imaging errors are small. A slight deviation due to misalignment
  • Rotation around an axis that is perpendicular to the dispersion plane does not lead to a disturbing change in the beam paths.
  • the spectrometer is particularly well suited for use in determining spectral profiles of laser radiation.
  • Laser radiation is generally narrow-band and therefore requires particularly high-resolution spectrometers for profile measurement.
  • the spectral profile can also be monitored and stabilized by means of such a spectrometer by adapting the operating parameters of the laser.
  • Embodiments of the invention are the subject of the dependent claims.
  • Fig.l is a schematic representation of a high-resolution grating spectrometer with retroreflectors, in which the course of the center beam is drawn for a double grating pass.
  • FIG. 2 is a schematic illustration of the spectrometer from FIG. 1, in which the course of the marginal rays is drawn for a simple grating passage.
  • FIG. 3 is a schematic illustration of the spectrometer from FIGS. 1 and 2, in which the course of the center beam for a simple grating passage is shown.
  • FIG. 5 shows the spectral line from FIG. 4 with a double lattice passage
  • Fig. 6 shows the beam path in the area of the rescue reflectors with five times the grating
  • FIG. 7 is a schematic representation of an alternative high-resolution grating spectrometer, in which the beam is first dispersed on a plane mirror and then passes over the grating again.
  • FIGS. 1 to 3 are schematic illustrations of the spectrometer from FIGS. 1 to 3, in which the course of the center beam for a triple lattice passage is drawn
  • a high-resolution spectrometer 10 is shown schematically in FIG.
  • the spectrometer 10 comprises an entrance slit 12, a camera mirror 14, an echelle Grating 16, two plane mirrors 18 and 20, and a detector 22.
  • the center j beam 24 of the radiation entering through the entrance slit 12 is shown.
  • Arrows 1-8 indicate the direction of travel of the center beam, the sequence of the beam path corresponding to the numbering 1-8.
  • the camera mirror 14 is designed as an off-axis parabolic mirror. Due to the parabolically shaped reflecting surface 26, the divergent radiation is parallelized and deflected in the direction of the Echelle grating 16. This is shown by an arrow 2.
  • the surface 26 is provided with a mirror coating, which also has a high reflectivity even in the UV range below 200 nm.
  • Parabolic mirror 14 on the beam The incoming, parallel beam hits the grating 16 and is dispersed there.
  • the grid 16 is rotatably supported about an axis 28.
  • the grating 16 is designed as an Echelle grating. A large blaze angle at the Echelle grating 16 produces a large path difference 38 between the marginal rays 2 'and 2 ". This causes the radiation to be highly dispersed in a high diffraction order. In this way, a high resolution is achieved in one pass.
  • the grating 16 is positioned analogously to a Littrow arrangement in such a way that the center beam, designated 3 in FIG. 1, has a wavelength down to a small angle ⁇ . In practice, the angle ⁇ is much smaller than shown here.
  • Entry slit 12 arranged in the beam path a first plane mirror 18.
  • the plane mirror 18 is arranged at an angle of + 45 ° (clockwise) to the optical axis corresponding to the center beam 14.
  • the returning beam is therefore deflected at right angles upwards in FIG. 1.
  • the focus is then on the optical axis of the input beam (arrow 1).
  • a further plane mirror 20 is arranged on the other side of the entry gap 12. This plane mirror is arranged at an angle of -45 ° (clockwise) to the optical axis.
  • the mirror planes of the mirrors 18 and 20 form a right angle and intersect along an intersection line that coincides with the center line of the entry slit 12.
  • the beam is deflected at a right angle again at this mirror 20.
  • the beam travels back by a distance 32 in the direction of the camera mirror 14. This is shown by an arrow 5.
  • the image is reversed during the double reflection at the plane mirrors 18 and 20. This means that the path difference 38 of the marginal rays on the grid is added. As a result, the resolution is maximally increased by the second grating passage that now follows.
  • the incoming beam 5 is again parallelized by the camera mirror 14 (FIG. 2) and reflected as a parallel beam 6 in the direction of the grating 16.
  • the twice-dispersed beam 7 runs back to the camera mirror 14.
  • the detector arrangement 22 can consist of a simple line or area detector. Any common detector such as a photodiode array, a CCD or a CID detector is suitable here. However, light guides can also be arranged there, or a magnifying optic consisting of two cylindrical lenses or mirrors with which the image of the entrance slit is enlarged. The enlarged image is then recorded using one of the detectors listed above. This has the advantage that commercially available detectors with larger detector elements can be used without losing their resolution.
  • the grid 16 is arranged rotatable about an axis 28. By rotating it into a suitable position, the beam can be aligned so that the angle ⁇ between the incoming and outgoing beam becomes somewhat larger. Then the returning beam is no longer incident on the mirror 18, but directly on the detector 22. This case is shown in FIG.
  • FIGS. 4 and 5 The effect on the resolution is shown in FIGS. 4 and 5.
  • a laser line 40 consisting of two peaks is not resolved in FIG. 4.
  • a larger area is recorded, in which another line 42 lies.
  • Such a 'spectrum is obtained when the grating is shown in FIG. 3
  • Position. 5 shows a spectrum for the same laser line with higher resolution.
  • Line 42 from FIG. 4 cannot be detected because the inspection area has shrunk.
  • the line components 44 and 46 of line 40 are now completely separated.
  • the profile can be determined with sufficient accuracy.
  • the higher resolution is achieved by the grid 16 in a
  • the grating 16 is rotated into a position in which the angle ⁇ is even smaller.
  • the beam then travels back and forth between the mirrors 18, 20 and the grating until it passes the mirror 18 and hits the detector 22. 6 shows a situation for a 5-fold lattice passage.
  • the beam 50 runs from the entrance slit 12 to the grating 16, is dispersed there and runs back offset by a small angle.
  • the simply dispersed, returning beam 52 is focused by the camera mirror 14 and on
  • the focus 53 lies on the optical axis of the beam 50 halfway between the mirrors 18 and 20.
  • the beam is reflected again at the mirror 18 and runs back to the grating.
  • the returning beam is labeled 54.
  • the beam is redispersed on the grating.
  • the returning beam 56 forms an even larger angle than the beam 50, so that it strikes the mirror 20 further out. There are just enough revolutions until the beam hits the edge 58 of the mirror 20 runs past on the detector. In the example of Fig. 6, 5 grid passes are realized.
  • the number of grid passes can therefore be set by rotating the grid.
  • the aberration caused by the wobble ⁇ is small, since the detector is arranged directly next to the entrance slit and the mirrors.
  • the reflection losses can be kept low.
  • the parabolic mirror is rotated about an axis perpendicular to the dispersion plane. However, this is generally not necessary.
  • FIG. 7 shows an embodiment of the above exemplary embodiment.
  • a plane mirror 62 is arranged behind the grating.
  • the beam first runs from the grating 16 to the plane mirror 62 and from there back to the grating 16. There the radiation is diffracted again. There is therefore a double pass at the grating each time before the beam runs back in the direction of the mirrors 18, 20 or the detector 22.
  • the advantage of this arrangement is that with only one additional, comparatively inexpensive, optical component, the total number of reflections can be reduced with the same number of grating passes. Dust or scratches on the mirrors then cause less stray light.
  • the resolution can be set by rotating the grating.
  • the grating can be brought into the position in which there is no passage through the mirror 62.
  • the number of passes can be adjusted via the number of reflections on the mirrors 18 and 20.
  • 8 shows the case in which a triple lattice passage is realized.
  • the beam runs according to the numbers 1-12 to the grating and back to the spatulas 18 and 20. It can be seen in comparison to the arrangement in Fig.l that only the grating position of the grating 16 has changed in the arrangement. All other optical components remain the same.
  • the grid 16 was rotated about the axis 28 by a small angle. This rotation can be done manually or computer controlled with a stepper motor.

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Abstract

Ein hochauflösendes Spektrometer (10) ist mit einem Eintrittsspalt (12), einem dispergierenden Element (16), einer Kameraoptik (14), und einer Detektoranordnung mit einem Detektor (22) ausgestattet. Die optischen Komponenten sind analog zu einer Littrow-Anordnung so zueinander angeordnet, dass Strahlung, welche durch den Eintrittsspalt (12) in das Spektrometer (10) eintritt, mittels der Kameraoptik (14) auf das dispergierende Element (16), und danach bis auf einen kleinen Winkel (y) in sich zurück über die gleiche Kameraoptik (14) leitbar und auf dem Detektor (22) fokussierbar ist. Es sind ferner Mittel (18, 20) zur Erzeugung einer Mehrfachdispersion durch das dispergierende Element (16) vorgesehen. Das Spektrometer ist dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erzeugung der Mehrfachdispersion wenigstens zwei reflektierende, ebene Flächen (18, 20) umfassen, die miteinander einen rechten Winkel bilden und welche die dispergierte und fokussierte Strahlung (3) zuerst in Richtung auf eine der jeweils anderen reflektierenden Flächen und dann in Richtung auf das dispergierende Element (16) zurückreflektieren. Die reflektierenden Flächen sind so angeordnet sind, dass sich der Eintrittsspalt (12) in der Schnittlinie der Ebenen befindet, welche durch die reflektierenden Flächen (18, 20) definiert sind.

Description

Hochauflösendes Spektrometer
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft ein hochauflösendes Spektrometer mit einem Eintrittsspalt, einem dispergierenden Element, einer Kameraoptik, und einer Detektoranordnung mit einem
Detektor, welche analog zu einer Littrow-Anordnung so zueinander angeordnet sind, daß Strahlung, welche durch den Eintrittsspalt in das Spektrometer eintritt, mittels der Kameraoptik auf das dispergierende Element, und danach bis auf einen kleinen Winkel in sich zurück über die gleiche Kameraoptik leitbar und auf dem Detektor fokussierbar ist, wobei Mittel zur Erzeugung einer Mehrfachdispersion durch das dispergierende Element vorgesehen sind.
Stand der Technik
Aus der DE 199 61 908 C2 ist ein hochauflösendes Spektrometer bekannt, bei welchem
Strahlung aus einem Eintrittsspalt mittels einer Kameraoptik auf ein Echelle-Gitter gelenkt wird. Das Echelle-Gitter ist so positioniert, daß der einfach dispergierte Strahl zur Erzeugung eines doppelten Gitterdurchgangs vom Echelle-Gitter zunächst auf einen Planspiegel gebeugt wird. Die Strahlung wird an dem Planspiegel in sich zurück reflektiert. Der Strahl läuft dann erneut über das Gitter und zurück über die Kameraoptik in ichjtung auf einen Detektor. Durch eine geringe Kippung des Planspiegels wird die Strahlung aus der Hauptebene des Strahlengangs herausgeleitet. Dadurch liegt der Ort des Spektrums, welches aus den monochromatischen Bildern des Eintrittsspalts gebildet wird, ober- oder unterhalb des Eintrittsspaltes. Dort wird das Spektrum mittels eines Detektors registriert. Durch geeignete Gitterdrehung kann der Strahlengang so verändert werden, daß der Strahl direkt vom Gitter in sich zurückläuft. Dann wird eine einfache Dispersion realisiert. Der minimale Linienabstand Δλ, bei welchem zwei Linien einer Wellenlänge λ noch sicher unterschieden können, wird als Auflösungsvermögen R=λ/Δλ bezeichnet. Das theoretische Auflösungsvermögen R in einem Gitterspektrometer wird durch die Gesamtzahl der Gitterfurchen N und die Beugungsordnung m bestimmt. Bei doppeltem Durchgang über das Gitter kann eine gegenüber dem einfachen Durchgang erhöhte spektrale Auflösung erreicht werden.
Aus der Veröffentlichung „Precise measurements with a compact vacuum infrared spectrometer" von D.B. Braund, A. R. H. Cole, J. A. Cugley, F. R. Honey, R. E. Pulfrey und G. D. Reece ist eine Anordnung bekannt, bei welcher die Strahlung zweifach über ein Gitter geleitet wird. Zur Realisierung des zweifachen Gitterdurchgangs wird ein im Strahlengang befindlicher Spiegel leicht um eine in der Dispersionsebene liegende Achse gekippt, so daß der Strahl aus dieser Ebene herausläuft. Der rücklaufende Strahl trifft dann auf einen Planspiegel. Dieser Planspiegel ist innerhalb des Strahlengangs etwas oberhalb des einlaufenden Strahls angeordnet. Mit dem Planspiegel wird der Strahl in Richtung auf zwei weitere Spiegel gelenkt, die einen rechten Winkel miteinander bilden. Der Strahl läuft um einen kleinen Weg versetzt in sich zurück auf den Planspiegel. Von dort ausläuft der Strahl wieder zum Gitter. Auf diese Weise wird ein weiterer Durchgang am Gitter realisiert. Die Anordnung ist jedoch mit einer Vielzahl von optischen Komponenten verbunden. Weiterhin wird der Strahl aus der Dispersionsebene herausgelenkt, wodurch sich die Abbildungsqualität verschlechtert.
In der US 6 573 989 B2 ist eine Anordnung offenbart, bei welcher eine Mehrfachdispersion mittels mehrerer Gitter realisiert wird. Die an einem ersten Gitter einfach dispergierte Strahlung wird in Richtung eines weiteren Gitters gebeugt. Dieses weitere Gitter steht in Littrow- Anordnung. Die dort erneut dispergierte Strahlung läuft in sich zurück. An dem ersten Gitter wird die Strahlung dann ein drittes Mal dispergiert. Durch Drehung des ersten Gitters kann dieses in eine Stellung gebracht werden, bei welcher der einfach dispergierte Strahl direkt in sich zurückläuft. Es können also zwei unterschiedlich breite Spektrenausschnitte mit unterschiedlicher Auflösung untersucht werden. Durch die Verwendung von zwei Gittern ist diese Anordnung teuer.
Offenbarung der Erfindung
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein hochauflösendes Spektrometer der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit welchem eine gegenüber dem Stand der Technik verbesserte Auflösung bei gleichbleibender Größe der optischen Bauteile realisierbar ist.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Mittel zur Erzeugung der Mehrfachdispersion wenigstens zwei reflektierende, ebene Flächen umfassen, die miteinander einen rechten Winkel bilden und welche die dispergierte und fokussierte Strahlung zuerst in Richtung auf eine der jeweils anderen reflektierenden Flächen und dann in Richtung auf das dispergierende Element zurückreflektieren, und welche relativ zum Eintrittspalt in der Weise angeordnet sind, daß sich der Eintrittsspalt in der Schnittlinie der Ebenen befindet, welche durch die reflektierenden Flächen definiert sind.
Bei dieser Anordnung läuft der einlaufende Strahl vom Eintrittsspalt auf eine Kameraoptik. Die Kameraoptik erzeugt ein paralleles Strahlbündel. Das Strahlbündel läuft über das dispergierende Element und wird dort ein erstes Mal dispergiert. Von dem dispergierenden Element läuft die dispergierte Strahlung zurück zur Kameraoptik, welche die Strahlung in der Ebene des Eintrittsspaltes fokussiert. Der rücklaufende Strahl läuft dabei vom dispergierenden Element aus nicht exakt in sich selbst zurück, sondern bildet mit dem einlaufenden Strahl innerhalb der Dispersionsebene, einen kleinen Winkel. Die Dispersionsebene ist dabei durch den einlaufenden und den am dispergierenden Element abgelenkten Strahl definiert. Der Winkel ist so klein, daß die Abbildungsfehler klein bleiben. Innerhalb der Dispersionsebene befindet sich auf beiden Seiten des Eintrittsspaltes jeweils eine reflektierende Fläche, zum Beispiel zwei kleine Planspiegel. Durch den kleinen Winkel zwischen einlaufendem und rücklaufendem Strahl einer Wellenlänge am dispergierenden Element, läuft der rücklaufende Strahl nicht zurück zum Eintrittsspalt, sondern, trifft auf eine der reflektierenden Flächen. Die reflektierenden Flächen bilden einen rechten Winkel miteinander. Der rücklaufende Strahl wird also durch die erste reflektierende Fläche noch vor dem Fokus umgelenkt und trifft auf die zweite reflektierende Fläche. Dort wird der Strahl erneut umgelenkt. Dabei erfolgt eine Bildumkehr. Nach der zweifachen Umlenkung läuft der Strahl also um eine geringe Strecke iparallelversetzt wieder in sich zurück.
Der parallelversetzt erneut einlaufende Strahl trifft zum zweiten Mal auf das dispergierende Element, wo er erneut dispergiert wird. Über die Kameraoptik wird der erneut rücklaufende Strahl dann am Rand der reflektierenden Fläche neben dem Eintrittsspalt vorbei auf einen Detektor gelenkt, der sich unmittelbar neben der reflektierenden Fläche in der Ebene des Eintrittsspaltes befindet.
Je nach Lage des dispergierenden Elements und Länge der reflektierenden Fläche können weitere Durchgänge realisiert werden. Dazu wird der Ablenkwinkel am dispergierenden Element verkleinert, so daß der erste rücklaufende Strahl dichter am Eintrittsspalt auf die reflektierende Fläche trifft. Der zweite und jeder weitere rücklaufende Strahl trifft etwas versetzt weiter außen auf die reflektierende Fläche, bis der letzte rücklaufende Strahl wie oben beschrieben an der reflektierenden Fläche vorbei auf den Detektor fällt.
Die Anordnung mit Bildumkehr bewirkt, daß der am dispergierenden Element realisierte
Gangunterschied zwischen den Randstrahlen, der die Auflösung bestimmt, sich addiert. Die Auflösung kann daher wesentlich vergrößert werden. Die Größe der Bauteile ändert sich nicht.
Im Gegensatz zu Anordnungen mit mehreren Gittern werden hier lediglich zwei reflektierende Flächen, zum Beispiel kostengünstige Planspiegel verwendet. Die Anordnung ist weiterhin flexibel, da durch eine bloße Drehung des dispergierenden Elements die Auflösung eingestellt werden kann. Das hat den Vorteil, daß ein spektrales Gebiet auch in größerer Breite und mit etwas geringerer Auflösung betrachtet werden kann. Ein spektraler Ausschnitt geringerer Breite kann mit hoher Auflösung untersucht werden, ohne daß sich der Aufbau wesentlich ändert.
Vorzugsweise ist der optische Strahlengang für alle Durchläufe zwischen dem
Eintrittspalt und dem Detektor in einer Ebene angeordnet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung mit wenigen Elementen und geringen Abbildungsfehlern erreicht.
Das dispergierende Element kann von einem Beugungsgitter, insbesondere einem EchellerGitter gebildet sein. Es ist aber auch denkbar ein Prisma zu verwenden. Die reflektierenden Flächen können von Spiegein gebildet sein. Statt zweier rechtwinklig zueinander angeordneten Spiegel können auch die reflektierenden Flächen eines Prismas verwendet werden, die einen rechten Winkel bilden. Durch Abflachung der Kante, an welcher der rechte Winkel gebildet ist, kann das Licht durch das Prisma in das Spektrometer eintreten. Diese Abflachung nimmt dann den Eintrittsspalt auf oder er wird unmittelbar von dieser gebildet.
In einer; Ausgestaltung der Erfindung ist eine weitere reflektierende Fläche vorgesehen, und dasj dispergierende Element ist so zwischen der Kameraoptik und dieser weiteren reflektierenden Fläche angeordnet, daß das dispergierte Licht von dem dispergierenden
Element zunächst direkt auf die reflektierende Fläche, dann in sich zurück auf das dispergierende Element und erst dann zurück auf die Kameraoptik geleitet wird. Dann wird mü einem Umlauf ein doppelter Durchgang am dispergierenden Element realisiert.
Vorzugsweise ist die Kameraoptik von einem Parabolspiegel gebildet. Dadurch wird eine kompakte Anordnung hoher Abbildungsgüte ohne chromatische Fehler und mit geringen Verlust n erreicht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Detektoranordnung eine Optik zur vergrößerten Abbildung des Spektrums auf die Bildelemente des Detektors.
Diese Optik kann von zwei Zylinderlinsen oder -spiegeln gebildet sein. Mit einer solchen Optik wird das hochaufgelöste Spektrum vergrößert, d.h. insbesondere bei gleichbleibender Höhe in der Breite „auseinandergezogen". Dann kann das Spektrum mit größeren Detektorelementen aufgenommen werden, ohne daß sich die Auflösung verschlechtert.
Vorzugsweise ist das dispergierende Element um eine Achse senkrecht zur Dispersionsebene drehbar. Die Drehung kann mit geeigneten Mitteln zum Beispiel einem
Schrittmotor und einem Computer automatisiert werden. Dann kann die Änderung des Inspekti nsbereichs, d.h. des betrachteten spektralen Bereichs auf besonders einfache Weise durchgeführt werden. Wenn zum Beispiel die spektrale Umgebung einer Linie untersucht werden soll, kann der Inspektionsbereich vergrößert werden, indem das Gitter oder Prisma auf einfachen Durchgang gestellt wird. Der rücklaufende Strahl läuft vom
Gitter aμs über die Kameraoptik direkt zur Detektoranordnung. Dann wird das Spektrum mit entsprechend geringerer Auflösung aufgenommen. Wenn ein Linienprofil möglichst hoch aufgelöst untersucht werden soll, wird das Gitter oder Prisma so eingestellt, daß ein zwei- oder mehrfacher Durchgang erfolgt. Der Strahl läuft dann mehrfach um, bevor er auf die Detektoranordnung fällt. Dann ist der rnspektionsbereich entsprechend kleiner.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weisen die reflektierenden Flächen einen Winkel von jeweils 45 Grad zur optischen Achse des durch den Eintrittsspalt eintretenden Lichtstrahls auf. Dann ist die Anordnung symmetrisch um die optische Achse angeordnet und die Abbildungsfehler sind gering. Eine geringe Abweichung durch Dejustage infolge
Drehung um eine Achse, die senkrecht zur Dispersionsebene ist, führt jedoch nicht zu einer störenden Veränderung der Strahlengänge.
Das Spektrometer ist besonders gut geeignet für die Verwendung zur Bestimmung von spektralen Profilen von Laserstrahlung. Laserstrahlung ist im allgemeinen schmalbandig und erfordert daher besonders hochauflösende Spektrometer zur Profilmessung. Dabei kann das spektrale Profil auch mittels eines derartigen Spektrometers überwacht durch Anpassung der Betriebsparameter des Lasers stabilisiert und optimiert werden.
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Einige
Ausführongsbeispiele sind nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig.l ist eine schematische Darstellung eines hochauflösenden Gitter- Spektrometers mit Retroreflektoren, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen zweifachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
Fig.2 ist eine schematische Darstellung des Spektrometers aus Fig.l, in welchem der Verlauf der Randstrahlen für einen einfachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
Fig.3 ist eine schematische Darstellung des Spektrometers aus Fig.l und 2, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen einfachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist.
Fig.4 zeigt eine Spektrallinie bei einfachem Gitterdurchgang
Fig.5 zeigt die Spektrallinie aus Fig.4 bei zweifachem Gitterdurchgang
Fig.6 zeigt den Strahlverlauf im Bereich der Rettoreflektoren bei fünf-fachem Gitterdurchgang
Fig.7 ist eine schematische Darstellung eines alternativen hochauflösenden Gitter- Spektrometers, bei welchem der Strahl zunächst auf einen Planspiegel dispergiert wird und dann erneut über das Gitter läuft.
Fig.8 ist eine schematische Darstellung des Spektrometers aus Fig.l bis 3, in welchem der Verlauf des Mittenstrahls für einen dreifachen Gitterdurchgang eingezeichnet ist
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels
In Fig. 1 ist ein hochauflösendes Spektrometer 10 schematisch dargestellt. Das Spektrometer 10 umfasst einen Eintrittsspalt 12, einen Kameraspiegel 14, ein Echelle- Gitter 16, zwei Planspiegel 18 und 20, sowie einen Detektor 22. In Fig. 1 ist der Mittensjtrahl 24 der durch den Eintrittsspalt 12 eintretenden Strahlung dargestellt. Pfeile 1-8 zeigen die Laufrichtung des Mittenstrahls an, wobei die Reihenfolge des Strahlverlaufs der Nummerierung 1-8 entspricht.
Die aus einer nicht dargestellten Lichtquelle emittierte Strahlung tritt durch den Eintrittsspalt 12 in das Spektrometer 10 ein. Dies ist durch einen Pfeil 1 dargestellt. Sie trifft dann auf den Kameraspiegel 14. Der Kameraspiegel 14 ist als Off-Axis- Parabolspiegel ausgebildet. Durch die parabolisch geformte reflektierende Oberfläche 26 wird die divergente Strahlung parallelisiert und in Richtung auf das Echelle-Gitter 16 abgelenkt. Dies ist durch einen Pfeil 2 dargestellt. Die Oberfläche 26 ist mit einer Verspiegelung versehen, die auch im UV-Bereich unterhalb von 200 nm noch eine hohe Reflektiyität aufweist.
In Fig. 2 sind die Randstrahlen V und 2' dargestellt. Dort erkennt man den Effekt des
Parabolspiegels 14 auf das Strahlbündel. Der einlaufende, parallele Strahl trifft auf das Gitter 16 und wird dort dispergiert. Das Gitter 16 ist um eine Achse 28 drehbar gelagert. Das Gitter 16 ist als Echelle-Gitter ausgebildet. Durch einen großen Blaze- Winkel am Echelle-fGitter 16 wird ein großer Gangunterschied 38 zwischen den Randstrahlen 2' und 2" erzeugt. Dadurch wird die Strahlung in hoher Beugungsordnung stark dispergiert. Auf diese Weise wird bereits mit einem Durchgang eine hohe Auflösung erreicht.
Das Gitter 16 ist analog zu einer Littrow- Anordnung so positioniert, daß der in Fig. 1 mit 3 bezeichnete Mittenstrahl einer Wellenlänge bis auf einen kleinen Winkel γ in sich zurückläuft. Der Winkel γ ist in der Praxis wesentlich kleiner, als hier dargestellt. Die
Winkel in Fig.l sind nur zur Veranschaulichung größer gezeichnet. Nach einer weiteren Reflexion am Kameraspiegel 14 wird der rücklaufende Strahl zurück in Richtung auf den Emtrittsspalt gelenkt. Dies ist in Fig. 1 durch einen Pfeil 4 dargestellt. Der Fokus liegt dabei iη der Ebene 30 des Eintrittsspalts 12. Durch den Winkel γ liegt der Fokus jedoch nicht exakt im Eintrittsspalt 12, sondern etwas daneben. Dort ist unmittelbar neben dem
Eintrittsspalt 12 im Strahlengang ein erster Planspiegel 18 angeordnet. Der Planspiegel 18 ist unter einem Winkel von +45° (im Uhrzeigersinn) zur dem Mittenstrahl 14 entsprechenden optischen Achse angeordnet. Der rücklaufende Strahl wird daher rechtwinklig nach oben in Fig. 1 abgelenkt. Der Fokus liegt dann auf der optischen Achse des Eingangsstrahls (Pfeil 1). Auf der anderen Seite des Eintrittsspalts 12 ist ein weiterer Planspiegel 20 angeordnet. Dieser Planspiegel ist unter einem Winkel von -45° (im Uhrzeigersinn) zur optischen Achse angeordnet. Die Spiegelebenen der Spiegel 18 und 20 bildqn einen rechten Winkel und schneiden sich entlang einer Schnittlinie, die mit der Mittellinie des Eintrittspaltes 12 zusammenfällt. Der Strahl wird an diesem Spiegel 20 ein weiteres Mal rechtwinklig abgelenkt. Nach der zweifachen Ablenkung an den Spiegeln 18 und 20 läuft der Strahl um einen Abstand 32 versetzt zurück in Richtung auf den Kameraspiegel 14. Dies ist durch einen Pfeil 5 dargestellt.
Bei der zweifachen Reflexion an den Planspiegeln 18 und 20 erfolgt eine Bildumkehr. Das bedeutet, daß der Gangunterschied 38 der Randstrahlen am Gitter addiert wird. Dadurch wird die Auflösung durch den nun folgenden zweiten Gitterdurchgang maximal vergrößert. Der erneut einlaufende Strahl 5 wird von dem Kameraspiegel 14 erneut parallelisiert (Fig.2) und als paralleler Strahl 6 in Richtung auf das Gitter 16 reflektiert.
Der zweifach dispergierte Strahl 7 läuft wieder zurück zum Kameraspiegel 14. Der erneut rücklauijende Strahl 7 hat nun eine Winkeldifferenz von 3γ gegenüber dem Strahl 6. Entsprechend trifft der Strahl auf eine andere Stelle auf dem Kameraspiegel 14 und wird an einer noch weiter versetzten Stelle in der Ebene des Eintrittsspaltes 12 fokussiert. An dieser Stelle sitzt eine schematisch dargestellte Detektoranordnung 22. Durch den weiteren Versatz des Strahls 8 gegenüber dem ersten rücklaufenden Strahl 4 um einen Abstand 3γ läuft der Strahl diesmal am äußeren Rand 36 des Spiegels 18 vorbei und trifft auf die Detektoranordnung 22.
Die Detektoranordnung 22 kann aus einem einfachen Zeilen- oder Flächendetektor bestehen. Hier ist jeder übliche Detektor, wie eine Photodiodenzeile, ein CCD- oder ein CID-Detektor geeignet. Es können dort aber auch Lichtleiter angeordnet sein, oder eine vergrößernde Optik aus zwei Zylinderlinsen oder -spiegeln, mit welchen das Bild des Eintrittsspaltes vergrößert wird. Das vergrößerte Bild wird dann mit einem der oben aufgeführten Detektoren aufgenommen. Dies hat den Vorteil, daß kommerziell erhältliche Detektoren mit größeren Detektorelementen verwendet werden können, ohne an Auflösung zu verlieren. Das Gitter 16 ist um eine Achse 28 drehbar angeordnet. Durch Drehung in eine geeignete Position kann der Strahl so ausgerichtet werden, daß der Winkel γ zwischen dem ankommenden und abgehenden Strahl etwas größer wird. Dann wird fällt der rücklaufende Strahl nicht mehr auf den Spiegel 18, sondern direkt auf den Detektor 22. Dieser Fall ist in Fig.3 dargestellt.
Der Effekt auf die Auflösung ist in den Figuren 4 und 5 dargestellt. Eine Laserlinie 40, die aus, zwei Peaks besteht, ist in Fig.4 nicht aufgelöst. Dafür wird bei begrenzter Detektorgröße ein größerer Bereich erfasst, in dem eine weitere Linie 42 liegt. Ein solches' Spektrum wird erhalten, wenn das Gitter sich in der in Fig. 3 dargestellten
Position befindet. In Fig.5 ist ein Spektrum für die gleiche Laserlinie mit höherer Auflösung gezeigt. Die Linie 42 aus Fig.4 kann nicht erfasst werden, da der Inspektionsbereich sich verkleinert hat. Dafür sind die Linienkomponenten 44 und 46 der Linie 40 nun vollständig getrennt. Das Profil kann mit ausreichender Genauigkeit bestimmt werden. Die höhere Auflösung wird erreicht, indem das Gitter 16 in eine
Stellun gebracht wird, bei welcher der Winkel γ so klein ist, daß ein zwei- oder mehrfacher Gitterdurchgang erreicht wird, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
Wenn die Auflösung weiter erhöht werden soll, wird das Gitter 16 in eine Stellung gedreht, bei welcher der Winkel γ noch kleiner ist. Dann läuft der Strahl solange zwischen den Spiegeln 18, 20 und dem Gitter hin und her, bis er am Spiegel 18 vorbeiläuft und auf den Detektor 22 trifft. In Fig. 6 ist eine Situation für einen 5-fachen Gitterdurchgang dargestellt. Der Strahl 50 läuft vom Eintrittsspalt 12 zum Gitter 16, wird dort dispergiert und läuft um einen kleinen Winkel versetzt zurück. Der einfach dispergierte, zurücklaufende Strahl 52 wird vom Kameraspiegel 14 fokussiert und am
Spiegel ,20 reflektiert. Der Fokus 53 liegt auf der optischen Achse des Strahls 50 auf dem halben Weg zwischen den Spiegeln 18 und 20. Am Spiegel 18 wird der Strahl erneut reflektiert und läuft zurück zum Gitter. Der rücklaufende Strahl ist mit 54 bezeichnet.
Am Gitter wird der Strahl erneut dispergiert. Der zurücklaufende Strahl 56 bildet einen gegenüber dem Strahl 50 noch größeren Winkel, so daß er weiter außen auf den Spiegel 20 triffti Es gibt gerade so viele Umläufe, bis der Strahl an der Kante 58 des Spiegels 20 vorbei auf den Detektor läuft. Im Beispiel von Fig.6 sind 5 Gitterdurchgänge verwirklicht.
Je nach gewünschter Auflösung kann durch die Gitterdrehung daher die Anzahl der Gitterdurchgänge eingestellt werden. In jedem Fall ist der Abbildungsfehler, der durch den Wiökel γ entsteht gering, da der Detektor unmittelbar neben dem Eintrittsspalt und den Spijegeln angeordnet ist. Durch Verwendung von hochreflektierenden Schichten am Kameraspiegel und an den Planspiegeln können die Reflexionsverluste gering gehalten werden. Zur Minimierung der Abbildungsfehler erfolgt eine Drehung des Parabolspiegels um eine Achse senkrecht zur Dispersionsebene. Dies ist im allgemeinen aber nicht erforderlich.
Mit der gezeigten Anordnung kann eine extrem hohe Auflösung mit einer sehr geringen Anzahl ,an Komponenten erreicht werden. Nur das Gitter ist drehbar angeordnet. Alle übrigen (Komponenten können fest angeordnet sein. Die Anordnung hat den Vorteil, daß die Kosten der Bauteile und der Justieraufwand gering bleiben. Gegenüber einem zweiten Gitter sind Planspiegel sehr kostengünstig und leicht zu justieren. Sie haben eine hohe Reflektivität und ermöglichen so einen hohen Lichtdurchsatz.
In Fig. 7 ist eine Ausgestaltung des obigen Ausfiihrungsbeispiels dargestellt. Hier wird ein Planspiegel 62 hinter dem Gitter angeordnet. Bei einer solchen Anordnung läuft der Strahl vom Gitter 16 zunächst zum Planspiegel 62 und von dort zurück auf das Gitter 16. Dort wird die Strahlung erneut gebeugt. Es erfolgt also jedesmal ein zweifacher Durchgang am Gitter, bevor der Strahl in Richtung auf die Spiegel 18,20, bzw. den Detektor 22 zurückläuft. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß mit nur einer zusätzlichen, vergleichsweise kostengünstigen, optischen Komponente die Gesamtzahl an Reflexionen bei gleicher Anzahl an Gitterdurchläufen reduziert werden kann. Staub oder Kratzer auf den Spiegeln verursachen dann weniger Streulicht.
Auch bei dieser Anordnung kann durch Drehung des Gitters die Auflösung eingestellt werden. Das Gitter kann in die Position gebracht werden, bei der kein Durchgang über den Spiegel 62 erfolgt. Außerdem kann die Anzahl der Durchgänge über die Anzahl der Reflexiqnen an den Spiegeln 18 und 20 eingestellt werden. In Fig.8 ist der Fall dargestellt, bei dem ein dreifacher Gitterdurchgang realisiert ist. Der Strahl läuft entsprechend den Nummerierungen 1-12 zum Gitter und zurück zu den Speigeln 18 und 20. Man erkennt im Vergleich zu der Anordnung in Fig.l, daß sich an der Anordnung lediglich die Gitterstellung des Gitters 16 verändert hat. Alle übrigen optischen Komponenten bleiben gleich. Das Gitter 16 wurde um die Achse 28 um einen geringen Winkel gedreht. Diese Drehung kann von Hand oder computergesteuert mit einem Schrittmotor erfolgen.

Claims

Patentansprüche
1. Hochauflösendes Spektrometer (10) mit einem Eintrittsspalt (12), einem dispergierenden Element (16), einer Kameraoptik (14), und einer Detektoranordnung mit einem Detektor (22), welche analog zu einer Littrow- Anordnung so zueinander angeordnet sind, daß Strahlung, welche durch den Eintrittsspalt (12) in das Spektrometer (10) eintritt, mittels der Kameraoptik (14) auf das dispergierende Element (16), und danach bis auf einen kleinen Winkel (γ) in sich zurück über die gleiche Kameraoptik (14) leitbar und auf dem Detektor (22) fokussierbar ist, wobei Mittel (18, 20) zur Erzeugung einer Mehrfachdispersion durch das dispergierende Element (16) vorgesehen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung der Mehrfachdispersion wenigstens zwei reflektierende, ebene Flächen (18, 20) umfassen, die miteinander einen rechten Winkel bilden und welche die dispergierte und fokussierte Strahlung (3) zuerst in Richtung auf eine der jeweils anderen reflektierenden Flächen und dann in Richtung auf das dispergierende Element (16) zurückreflektieren, und welche so angeordnet sind, daß sich der Eintrittsspalt (12) in der Schnittlinie der Ebenen befindet, welche durch die reflektierenden Flächen (18, 20) definiert sind.
2. Spektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Strahlengang zwischen dem Eintrittspalt (12) und dem Detektor (22) in einer Ebene angeordnet ist.
3. Spektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dispergierende Element von einem Beugungsgitter (16) gebildet ist.
4. Spektrometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das das Beugungsgitter (16) ein Echelle-Gitter ist.
5. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen von Spiegeln (18, 20) gebildet sind.
6. Spektrometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (18, 20) die Seiten eines Prismas sind.
7. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine weitere reflektierende Fläche (62) vorgesehen ist, und das dispergierende Element (16) so zwischen der Kameraoptik (14) und dieser weiteren reflektierenden Fläche (62) angeordnet ist, daß die dispergierte Strahlung von dem dispergierenden Element (16) zunächst direkt auf die reflektierende Fläche (62), dann in sich zurück auf das dispergierende Element (16) und erst dann zurück auf die Kameraoptik (14) geleitet wird.
8. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kameraoptik (14) von einem Parabolspiegel gebildet ist.
9. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Optik zur Nachvergrößerung des Bildes des Eintrittsspaltes in der Austrittsebene vorgesehen ist.
10. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik von zwei Zylinderlinsen gebildet ist.
11. Spektrometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik von zwei Zylinderspiegeln gebildet ist.
12. Spektrometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das dispergierende Element (16) um eine Achse (28) senkrecht zur Dispersionsebene drehbar ist.
13. Spekttometer nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Flächen (18, 20) einen Winkel von 45 Grad zur optischen Achse (1) des durch den Eintrittsspalt (12) eintretenden Strahls aufweisen.
14. Verwendung eines Spektrometers nach einem der vorgehenden Ansprüche zur Bestimmung von spektralen Profilen von Laserstrahlung.
15. Verwendung eines Spektrometers nach einem der Ansprüche 1 bis 13 zur Stabilisierung von spektralen Profilen von Lasersttahlung.
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