WO2016101984A1 - Gitterspektrometer mit verbesserter auflösung - Google Patents

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WO2016101984A1
WO2016101984A1 PCT/EP2014/079056 EP2014079056W WO2016101984A1 WO 2016101984 A1 WO2016101984 A1 WO 2016101984A1 EP 2014079056 W EP2014079056 W EP 2014079056W WO 2016101984 A1 WO2016101984 A1 WO 2016101984A1
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diffracted
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Wolfram Bohle
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Spectro Analytical Instruments Gmbh
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    • G01J3/36—Investigating two or more bands of a spectrum by separate detectors

Definitions

  • the present invention relates to an arrangement for the spectral decomposition of light according to the preamble of claim 1 and an optical
  • Optical emission spectrometry uses grating spectrometers to determine elemental contents in a sample by analyzing the radiation emission of excited atoms. Large spectral ranges have to be measured simultaneously - starting from the deep UV to the near IR.
  • a diffraction grating causes a dispersion of the spectrum according to the
  • the angular dispersion ⁇ / ⁇ (equation 2) gives the difference of the diffraction angle ⁇ for two wavelengths which differ by the small amount ⁇ .
  • the spectral resolution of the spectrometer is essentially determined by the angular dispersion of the diffraction grating.
  • the cut-off wavelength A G denotes the wavelength for which the
  • Diffraction angle 90 ° reached (equation 3). Larger wavelengths than A G are no longer diffracted at this grid. The cut-off wavelength must therefore be above the longest wavelength of the spectrum to be displayed.
  • Eq. 3 states that, for the diffraction of long wavelengths, the spacing of the grating grooves d must be large and the diffraction order N must be low. For a high angular dispersion, however, exactly the reverse procedure is necessary. According to Eq. 2, a high angular dispersion is due to a small angle
  • the largest wavelength to be measured determines the groove spacing of the grid and thus also defines the angular dispersion.
  • the demands for high spectral coverage and high angular dispersion can therefore not be realized simultaneously.
  • Angle dispersion lower, here it depends mainly on the large extent of the simultaneously detected spectral range.
  • the first way is to use different diffraction orders of a diffraction grating simultaneously. Parts of the spectrum with higher requirements for the angular dispersion are in higher
  • the second approach is to combine several spectrometer units simultaneously in one device, with the respective diffraction gratings having different groove spacings. In this way, parts of the spectrum can be displayed with a higher angular dispersion than that
  • spectrometer units in one device have disadvantages. All units must be optically in the same way to the radiation source
  • Diffraction element normal is directed back to the diffraction element, in such a way that the angle differences ⁇ ⁇ and ⁇ have different signs.
  • the dispersion can be increased for a certain part of the spectrum by adding the dispersion effects from both diffraction processes.
  • the limitation of the angular dispersion by the largest wavelength to be measured, which determines the groove spacing of the grating, can thus be avoided.
  • the feedback arrangement comprises an even number of reflective components which, by their successive reflections, cause the angle differences ⁇ ⁇ and ⁇ to have different signs.
  • the return arrangement preferably has exactly two reflective components.
  • the distance of the reflective components is adjustable.
  • Angle of incidence ⁇ ⁇ are chosen so that a desired diffraction angle ⁇ 'is established during the second diffraction at the grating.
  • the diffraction element is a reflective grating.
  • the return arrangement has at least one wavelength-dispersive elements, so that in addition to the
  • Feedback arrangement filters out wavelength sub-ranges within the interval ⁇ to ⁇ + ⁇ , which are not attributed to the diffraction element.
  • the feedback arrangement has at least one curved surface optical element, thereby correcting for divergence of the incident beam and the diffracted beam. From this point of view, it may also be preferable to
  • the diffraction order N is equal to 1 or 2.
  • an optical spectrometer comprising an entrance slit from which incident light into the spectrometer falls on a previously-mentioned spectral decomposition arrangement of light and detectors for detecting the light diffracted by the diffraction grating.
  • the arrangement for the spectral decomposition of light has the previous one
  • the diffraction grating is concave and the detectors are arranged on a Rowland circle.
  • Fig. 1 a schematic representation of a spectrometer with a
  • Fig. 5 a schematic representation of a return arrangement with three
  • Fig. 6 a schematic representation of an inventive
  • Fig. 7 a schematic representation of another erfindungsg
  • Fig. L shows a dispersion arrangement with a reflective
  • the beam 2 is incident on the diffraction grating 1 at the angle ⁇ to the normal.
  • the beam 2 contains the two
  • a return assembly 5 directs the beam 3 as a beam 6 of wavelength ⁇ at the new angle of incidence ⁇ ⁇ back to the grid.
  • the return assembly 5 simultaneously directs the beam 4 as
  • a desired diffraction angle .beta..sub. ⁇ can be set by selecting the appropriate angle of incidence .alpha..sub. ⁇ in the second diffraction process.
  • the multiplier e in Eq. 5 describes the development of the
  • the return assembly 5 in FIG. l accomplishes the repatriation of the
  • Beam 6 is.
  • the condition ⁇ ⁇ - ⁇ applies.
  • the multiplier e of Eq. 5 is about 2, and the angular dispersion is about twice as large.
  • the return arrangement 5 can also contain optical elements, which in turn themselves
  • Angular dispersion is thus already raised in the course of the beam return by means of the return assembly 5.
  • the feedback assembly 5 may include optical filters whereby individual wavelengths or a portion from the wavelength interval ⁇ to ⁇ + ⁇ can be removed and these are no longer directed back to the grid.
  • Diffraction pass about three times higher than the single-diffracted spectrum, about four times higher after the fourth pass, etc.
  • FIG. 3 shows by way of example the second mirror 11 with a curved surface.
  • the divergent beams 3, 4 arriving from the grating are transferred by the device 5 into the convergent beams 6, 7, which are directed back to the center of the grating.
  • the same effect could also be achieved with a lens in the beam path of the device.
  • a return arrangement 5 ' has a single mirror 10'.
  • Figures 6 and 7 show two examples of an inventive
  • FIGS. 6 and 7 show by way of example that the arrangement of the mirrors 18, 19 allows the angle of incidence ⁇ ⁇ to be selected so that a desired diffraction angle ⁇ 'is established at the second diffraction at the grating.
  • a filter 20a is set on the line sensor 20, which filters out the original spectrum at this point.
  • the inventive arrangement for the spectral decomposition of light makes it possible to split a broad, extended wavelength range, wherein a portion of the spectrum has an angular dispersion which is higher than the angular dispersion in the remaining wavelength range.
  • the arrangement is through the use of a single dispersive element and the mapping of the spectrum to a single detector array, the more
  • Detector elements z. B. line sensors 17, 20 can contain, inexpensive and compact.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht mit einem Beugungselement (1, 16), mit einem unter dem Winkel α zur Beugungselementnormalen auf das Beugungselement (1, 16) einfallenden Strahlenbündel (2), welches die Wellenlängen des Intervalls λ bis λ+Δλ enthält, mit einem ersten unter dem Winkel β zur Beugungselementnormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel (3) der Wellenlänge λ, und mit einem zweiten unter dem Winkel β+Δβ zur Beugungselementnormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel (4) der Wellenlänge λ+Δλ, wobei die Anordnung eine Rückführanordnung (5) aufweist, welche das erste gebeugte Strahlenbündel (3) ablenkt und als ein erstes rückgeführtes Strahlenbündel (6) unter einem Einfallswinkel α' zur Beugungselementnormalen zurück auf das Beugungselement (1) richtet, und welche gleichzeitig das zweite gebeugte Strahlenbündel (4) ablenkt und als ein zweites rückgeführtes Strahlenbündel (7) unter dem Einfallswinkel α'+Δα' zur Beugungselementnormalen zurück auf das Beugungselement (1) richtet, in der Weise, dass die Winkeldifferenzen Δα' und Δβ verschiedene Vorzeichen aufweisen.

Description

Gitterspektrometer mit verbesserter Auflösung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein optisches
Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 11.
Die optische Emissionsspektrometrie (OES) verwendet Gitterspektrometer zur Bestimmung von Elementgehalten in einer Probe anhand einer Analyse der Strahlungsemission angeregter Atome. Dabei müssen große Spektralbereiche simultan gemessen werden - ausgehend vom tiefen UV bis ins nahe IR.
Aufgrund der enormen Liniendichten und Komplexitäten der
Atomemissionsspektren ist neben einer großen Bandbreite zusätzlich ein hohes spektrales Auflösungsvermögen erforderlich, um die Überlagerung
benachbarter Fremdlinien zu verhindern. Dies trifft im Besonderen auf die OES-Analyse von Metallen zu.
Ein Beugungsgitter bewirkt eine Dispersion des Spektrums gemäß den
Gleichungen : λ ■ N = d ■ [sina + sinß] (Gl . l) Δβ/Δλ = N/[d ■ cosß], für kleine Δλ (Gl .2)
AG: = d/N ■ [sina + 1] (Gl .3) mit λ= Wellenlänge, N = Beugungsordnung, d = Abstand der Gitterfurchen, a = Einfallswinkel, ß= Beugungswinkel und AG= Grenzwellenlänge. Die Winkeldispersion Δβ/Δλ (Gl.2) gibt die Differenz des Beugungswinkels Δβ für zwei Wellenlängen an, die sich um den kleinen Betrag Δλ unterscheiden. Das spektrale Auflösungsvermögen des Spektrometers wird ganz wesentlich von der Winkeldispersion des Beugungsgitters bestimmt.
Die Grenzwellenlänge AG kennzeichnet die Wellenlänge, für die der
Beugungswinkel 90° erreicht (Gl.3). Größere Wellenlängen als AG werden an diesem Gitter nicht mehr gebeugt. Die Grenzwellenlänge muss also oberhalb der längsten Wellenlänge des darzustellenden Spektrums liegen. Gl .3 besagt, dass für die Beugung langer Wellenlängen der Abstand der Gitterfurchen d groß und die Beugungsordnung N niedrig gewählt werden müssen. Für eine hohe Winkeldispersion ist jedoch genau das umgekehrte Vorgehen notwendig. Nach Gl .2 wird eine hohe Winkeldispersion durch einen kleinen
Furchenabstand oder eine hohe Beugungsordnung erzielt.
Die größte zu messende Wellenlänge bestimmt den Furchenabstand des Gitters und legt damit auch die Winkeldispersion fest. Die Forderungen nach großer spektraler Abdeckung und hoher Winkeldispersion lassen sich daher nicht gleichzeitig realisieren.
In der OES entscheiden oft die Nachweisgrenzen weniger Elemente über die Eignung eines Spektrometers für eine bestimmte analytische Applikation. Um diesem Umstand Rechnung zu tragen, müssen bestimmte Abschnitte des Spektrums mit hoher Winkeldispersion dargestellt werden. Im restlichen, weitaus größeren Teil des Spektrums sind die Anforderungen an die
Winkeldispersion geringer, hier kommt es vor allem auf die große Ausdehnung des simultan erfassten Spektralbereichs an.
Nach dem Stand der Technik werden zur Lösung des Konflikts zwei Wege beschritten. Der erste Weg besteht darin, verschiedene Beugungsordnungen eines Beugungsgitters gleichzeitig zu verwenden. Teile des Spektrums mit höherer Anforderung an die Winkeldispersion werden in höherer
Beugungsordnung gemessen. Hierbei tritt das Problem auf, dass z.B. unter dem Beugungswinkel der Wellenlänge λ in zweiter Beugungsordnung gleichzeitig die Wellenlänge 2λ in erster Beugungsordnung erscheint. Es müssen daher Maßnahmen getroffen werden, um die sich überlagernden Beugungsordnungen getrennt zu detektieren. Diesen Ansatz verfolgen Echelle- Spektrometer. Hier werden viele, sich überlagernde Beugungsordnungen räumlich getrennt auf einen zweidimensionalen Arraydetektor abgebildet.
Es hat sich herausgestellt, dass Echelle-Systeme aufgrund von
Übersprecheffekten, welche die analytische Leistungsfähigkeit herabsetzen, weniger geeignet sind für die OES von Metallen.
Der zweite Lösungsweg besteht darin, mehrere Spektrometereinheiten gleichzeitig in einem Gerät zu vereinen, wobei die jeweiligen Beugungsgitter unterschiedliche Furchenabstände besitzen. Auf diese Weise lassen sich Teile des Spektrums mit höherer Winkeldispersion darstellen als das
Hauptspektrum. Die Verwendung mehrerer, simultan messender
Spektrometereinheiten in einem Gerät bringt jedoch Nachteile mit sich. Alle Einheiten müssen optisch in gleiche Weise an die Strahlungsquelle
angekoppelt werden. Außerdem sind Konstruktionsaufwand und
Materialeinsatz deutlich erhöht, wodurch hohe Kosten entstehen.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine kostengünstige und kompakte Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht anzugeben, die einen breiten, ausgedehnten Wellenlängenbereich aufspaltet, wobei ein Abschnitt des Spektrums eine Winkeldispersion aufweist, die wesentlich höher ist als die Winkeldispersion im restlichen Wellenlängenbereich. Weiterhin ist es Aufgabe ein optisches Spektrometer mit den genannten Eigenschaften zu benennen.
Diese Aufgabe wird von einer Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit einem optischen Spektrometer mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
Danach ist eine Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht mit einem Beugungselement, mit einem unter dem Winkel α zur
Beugungselementnormalen auf das Beugungselement einfallenden
Strahlenbündel, welches die Wellenlängen des Intervalls λ bis λ+Δλ enthält, mit einem ersten unter dem Winkel ß zur Beugungselementnormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel der Wellenlänge λ, und mit einem zweiten unter dem Winkel β+Δβ zur Beugungselementnormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel der Wellenlänge λ+Δλ, vorgesehen, wobei die Anordnung eine Rückführanordnung aufweist, welche das erste gebeugte Strahlenbündel ablenkt und als ein erstes rückgeführtes Strahlenbündel unter einem Einfallswinkel αλ zur Beugungselementnormalen zurück auf das Beugungselement richtet, und welche gleichzeitig das zweite gebeugte Strahlenbündel ablenkt und als ein zweites rückgeführtes
Strahlenbündel unter dem Einfallswinkel αλ+Δαλ zur
Beugungselementnormalen zurück auf das Beugungselement richtet, in der Weise, dass die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen aufweisen. Trotz der Verwendung nur eines Beugungselements lässt sich für einen bestimmten Teil des Spektrums die Dispersion erhöhen, indem sich die Dispersionseffekte aus beiden Beugungsvorgängen addieren. Die Begrenzung der Winkeldispersion durch die größte zu messende Wellenlänge, die den Furchenabstand des Gitters festlegt, kann somit umgangen werden.
Es ist bevorzugt, dass die Rückführanordnung ein gerade Anzahl von reflektierenden Bauteilen aufweist, die durch ihre aufeinanderfolgenden Reflexionen bewirken, dass die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen haben.
Vorzugsweise weist die Rückführanordnung exakt zwei reflektierende Bauteile auf. Dabei ist vorteilhafterweise der Abstand der reflektierenden Bauteile einstellbar. Über den Abstand der reflektierenden Bauteile kann der
Einfallswinkel αλ so gewählt werden, dass sich bei der zweiten Beugung am Gitter ein gewünschter Beugungswinkel ß' einstellt.
In einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Beugungselement ein reflektierendes Gitter.
Es kann vorgesehen sein, dass die Rückführanordnung wenigstens ein wellenlängendispersives Elemente aufweist, so dass neben dem
Vorzeichenwechsel zwischen Δαλ und Δβ zusätzlich eine Winkelaufweitung |Δαλ | > |Δβ| eintritt. Je nach Anwendung der Anordnung kann es bevorzugt sein, dass die
Rückführanordnung Wellenlängenteilbereiche innerhalb des Intervalls λ bis λ+Δλ herausfiltert, die nicht auf das Beugungselement zurückgeführt werden.
Es ist vorteilhaft, wenn die Rückführanordnung mindestens ein optisches Element mit gekrümmter Oberfläche aufweist, wodurch eine Divergenz des einfallenden Strahlenbündels und des gebeugten Strahlenbündels korrigiert wird. Unter diesem Gesichtspunkt kann es auch bevorzugt sein, ein
Beugungselement mit sphärischer Oberfläche einzusetzen.
Vorzugsweise ist die Beugungsordnung N gleich 1 oder 2.
Weiterhin vorgesehen ist ein optisches Spektrometer, aufweisend einen Eintrittsspalt, von dem in das Spektrometer einfallendes Licht auf eine zuvor genannte Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht fällt und Detektoren zur Erfassung des von dem Beugungsgitter gebeugten Lichtes. Die Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht weist dabei die vorhergehend
beschriebenen Eigenschaften auf.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Beugungsgitter konkav und die Detektoren sind auf einem Rowland-Kreis angeordnet.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren 4 und 5 zeigen nicht die Erfindung, sondern sind nur zur Veranschaulichung gedacht. In allen Figuren sind gleiche oder gleichartige Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen und der Strahlengang wird in den Figuren suggestiv mit Pfeilen gekennzeichnet.
Es zeigen :
Fig. 1 : eine schematische Darstellung eines Spektrometers mit einem
Gitter und einer Rückführanordnung,
Fig. 2 : eine schematische Darstellung einer Rückführanordnung mit zwei
Spiegeln,
Fig. 3 : eine schematische Darstellung einer Rückführanordnung mit
einem planaren und einem konkaven Spiegel, Fig. 4: eine schematische Darstellung einer Rückführanordnung mit einem Spiegel,
Fig. 5 : eine schematische Darstellung einer Rückführanordnung mit drei
Spiegeln,
Fig. 6: eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Rowland-Kreis-Anordnung eines erfindungsgemäßen OES,
Fig. 7 : eine schematische Darstellung einer weiteren erfindungsg
Rowland-Kreis-Anordnung eines erfindungsgemäßen OES.
Fig. l zeigt eine Dispersionsanordnung mit einem reflektierenden
Beugungsgitter 1. Das Strahlenbündel 2 fällt unter dem Winkel α zur Normalen auf das Beugungsgitter 1 ein. Das Strahlenbündel 2 enthält die beiden
Wellenlängen λ und λ+Δλ > λ. Das Gitter erzeugt in der betrachteten
Beugungsordnung N das Strahlenbündel 3 der Wellenlänge λ unter dem
Beugungswinkel ß sowie das Strahlenbündel 4 der Wellenlänge λ+Δλ unter dem Beugungswinkel β+Δβ > ß.
Eine Rückführanordnung 5 lenkt das Strahlenbündel 3 als Strahlenbündel 6 der Wellenlänge λ unter dem neuen Einfallswinkel αλ zurück auf das Gitter. Die Rückführanordnung 5 lenkt gleichzeitig das Strahlenbündel 4 als
Strahlenbündel 7 der Wellenlänge λ+Δλ unter dem neuen Einfallswinkel α +Δαλ zurück auf das Gitter. Die Werte αλ und Δαλ sind durch die Eigenschaften der Rückführanordnung 5 bestimmt. Die zweite Beugung am Gitter erzeugt nun in der betrachteten Beugungsordnung N das Strahlenbündel 8 der Wellenlänge λ unter dem Beugungswinkel βλ sowie das Strahlenbündel 9 der Wellenlänge λ+Δλ unter dem neuen Beugungswinkel βλ+Δβ\ Das Wellenlängenintervall Δλ erfährt durch die zwei aufeinander folgenden Beugungsvorgänge am Gitter nunmehr die Winkelaufspaltung Δβ\ Nach Gl . l gilt:
Erster Beugungsvorgang Zweiter Beugungsvorgang λ ■ N/d sina + sinß sina' + sinß'
[λ+Δλ] ■ N/d sina + sin(ß+Aß) 3ϊη(α,+Δαλ) + 3ϊη(βλ+Δβλ) Zur besseren Veranschaulichung der Ergebnisse sei der Fall kleiner Δλ betrachtet. Für Δλ < < λ bleiben die Winkeländerungen ebenfalls klein, sodass die Reihenentwicklungen der Sinus- und Kosinus-Funktionen nach dem ersten Glied abgebrochen werden können : sinx = x, cosx = 1 für x : Δβ, Δα\ Δβ\ Damit folgt für den Beugungswinkel und die Winkeldispersion nach der zweiten Gitterbeugung : βλ = aresin (sina + sinß - sina') (Gl .4)
ΔβΥΔλ = N/[d ■ cosß*] ■ e mit e = 1 - [ΔαΥΔβ] ■ [cosaYcosß] , für kleine Δλ (Gl .5)
Nach Gl . 4 kann bei gegebenem α, ß ein gewünschter Beugungswinkel βλ durch Wahl des passenden Einfallswinkels αλ im zweiten Beugungsvorgang eingestellt werden. Der Multiplikator e in Gl.5 beschreibt die Entwicklung der
Winkeldispersion bei zweimaliger Beugung am selben Gitter gegenüber dem einfachen Beugungsvorgang nach Gl .2. Der Geometriefaktor [cosaYcosß] ist stets positiv. Er nimmt für αλ = 0 das Maximum 1/cosß an. Solange die
Winkelbeträge von ß und αλ nicht stark voneinander abweichen, bewegt sich der Geometriefaktor nahe 1. Erst für |αλ | ->90° wird er deutlich kleiner als 1, bzw. erst für | ß | ->90° deutlich größer als 1. Der Multiplikator e in Gl.5 wird also in erster Linie von Δαλ bestimmt.
Die Rückführanordnung 5 in Fig . l bewerkstelligt die Rückführung der
Strahlenbündel auf das Gitter.
Fig.2 zeigt die Rückführung mit zwei Spiegeln 10, 11, die bewirken, dass der Einfallswinkel des Strahlenbündels 7 kleiner als der Einfallswinkel des
Strahlenbündels 6 ist. Es gilt die Bedingung Δαλ = - Δβ. Der Multiplikator e von Gl.5 beträgt etwa 2, die Winkeldispersion ist etwa doppelt so groß. Über den Geometriefaktor [cosaYcosß] in Gl.5 ergeben sich bei großen ß sogar Werte e > 2. Mit der zweiten Beugung am Gitter kann also die
Winkeldispersion erheblich angehoben werden. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass allgemein eine gerade Anzahl von Spiegelelementen in der Rückführanordnung 5 zu einem Vorzeichenwechsel Δαλ = - Δβ führt und sich die Dispersionseffekte aus beiden Beugungsvorgängen deshalb addieren.
Die Rückführanordnung 5 kann neben Spiegeln bzw. reflektierenden Bauteilen auch optische Elemente enthalten, die wiederum selbst eine
Wellenlängendispersion hervorrufen, z. B. Beugungsgitter. Bei geeigneter Orientierung solcher Elemente im Strahlengang innerhalb der
Rückführanordnung tritt zusätzlich zu dem Vorzeichenwechsel zwischen Δαλ und Δβ noch eine Winkelaufweitung ein, d .h. |Δαλ | > |Δβ| . Die
Winkeldispersion wird also im Verlauf der Strahlrückrichtung mittels der Rückführanordnung 5 bereits angehoben.
Die Rückführanordnung 5 kann optische Filter enthalten, wodurch einzelne Wellenlängen oder ein Teilabschnitt aus dem Wellenlängenintervall λ bis λ+Δλ entfernt werden können und diese nicht mehr auf das Gitter zurückgerichtet werden.
Bisher wurde die zweimalige Beugung in gleicher Ordnung am selben Gitter betrachtet. Es sind jedoch auch weitere Beugungsvorgänge vorstellbar. Hierzu gibt es eine Anzahl i weiterer Rückführanordnungen nach Art der
Rückführanordnung 5, welche die jeweils zuletzt gebeugten Strahlen für den nächsten Beugungsvorgang erneut auf das Gitter zurückrichten. Die
Bedingungen für die Additionen der Dispersionen aus jedem Vorgang lauten analog : Δα,+ι = - Δβ,. Dabei liegt die Winkeldispersion nach dem dritten
Beugungsdurchgang etwa dreimal höher vor als beim einfach gebeugten Spektrum, nach dem vierten Durchgang etwa viermal höher vor, usw.
In der Näherung für kleine Δλ wurde die Gl.5 abgeleitet, wodurch die
Vorgänge sehr anschaulich wurden. Der Übergang von kleinen zu größeren Wellenlängenintervallen Δλ gelingt zwanglos und mit denselben Erkenntnissen. Im gesamten rückgeführten Spektralabschnitt λ bis λ+Δλ gelten die zuvor genannten Bedingungen für die Subtraktion bzw. Addition der
Dispersionsvorgänge.
Bei kleinen Winkelintervallen Δλ liegen die beiden Strahlenbündel 3 und 4 sehr dicht beieinander, ihre Divergenz ist sehr klein. Die Rückrichtung der Strahlenbündel auf das Gitter in Fig. 2 kann mit zwei Planspiegeln erfolgen. Bei großen Wellenlängenintervallen sind die Strahlenbündel jedoch merklich divergent, so dass es vorteilhaft ist, wenn zumindest einer der beiden Spiegel eine gekrümmte Oberfläche aufweist. Fig .3 zeigt beispielhaft den zweiten Spiegel 11 mit gekrümmter Oberfläche. Auf diese Weise werden die vom Gitter eintreffenden divergenten Strahlenbündel 3, 4 durch die Vorrichtung 5 in die konvergenten Strahlenbündel 6, 7 überführt, die in die Mitte des Gitters zurückgerichtet sind. Der gleiche Effekt ließe sich im Übrigen auch mit einer Linse im Strahlengang der Vorrichtung erzielen.
Die Figuren 4 und 5 zeigen nicht die Erfindung, sondern sind nur zur
Veranschaulichung gedacht.
In der Figur 4 weist eine Rückführanordnung 5' einen einzelnen Spiegel 10' auf. Bei dieser Art der Rückführung ist der Einfallswinkel αλ des
Strahlenbündels 6' identisch mit dem Beugungswinkel ß des Strahlenbündels 3'. Das Strahlenbündel 4' mit dem größeren Beugungswinkel β+Δβ geht in das Strahlenbündel 7' mit dem größeren Einfallswinkel αλ+Δαλ über. Es gilt demnach Δαλ = Δβ und der Multiplikator e in Gl .4 ist 0. Die Dispersion der zweiten Beugung kompensiert die Dispersion der ersten Beugung vollständig.
Die gleiche Situation liegt vor, wenn die Rückführanordnung 5' aus drei Spiegeln besteht, siehe Figur 5. Hier gilt ebenfalls Δαλ = Δβ, im Unterschied zur Anordnung mit einem einzelnen Spiegel (Fig.4) ist hier jedoch α ß. Die Figur 5 zeigt beispielhaft den Fall dass der neue Einfallwinkel αλ unterhalb des Beugungswinkels ß liegt. Der Multiplikator e (Gl.4) ist zwar ungleich 0, jedoch deutlich kleiner als 1. Die zweite Beugung verringert also die Dispersion der ersten Beugung beträchtlich. Es ist leicht nachzuvollziehen, dass allgemein eine ungerade Anzahl von Spiegelelementen in der Rückführanordnung 5' dazu führt, dass Δαλ und Δβ das gleiche Vorzeichen besitzen und sich die
Dispersionseffekte aus beiden Beugungsvorgängen deshalb subtrahieren.
Die Figuren 6 und 7 zeigen zwei Beispiele für eine erfindungsgemäße
Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht bei Gitterspektrometern. Es ist jeweils das Schema einer Rowland-Kreis-Anordnung eines OES mit einem konkaven Beugungsgitter 16, einem Eintrittsspalt 15 und mehreren Sensoren 17 zur Messung des Spektrums auf dem Fokalkreis (Rowlandkreis), einer Rückführanordnung 5 bestehend aus zwei Spiegeln 18 und 19, welche einen Abschnitt des gebeugten Spektrums zurück auf das Gitter richten, wobei ein Vorzeichenwechsel der Winkeldifferenzen stattfindet, dargestellt.
An dem Zeilensensor 20 am Rowlandkreis, auf den das zweimal am Gitter 16 gebeugte Teilspektrum abgebildet und gemessen wird, liegt, wenn keine Maßnahmen getroffen werden, auch das Spektrum aus dem normalen, einmaligen Gitterdurchgang vor, dass abgetrennt werden muss. Die Figuren 6 und 7 zeigen beispielhaft, dass über die Anordnung der Spiegel 18, 19 der Einfallswinkel αλ so gewählt werden kann, dass sich bei der zweiten Beugung am Gitter ein gewünschter Beugungswinkel ß' einstellt.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig . 6 ist das Spektrum aus dem 1.
Gitterdurchgang an dieser Stelle so kurzwellig, dass es von einer zur
Einkopplung der Strahlung in das Spektrometer verwendeten Quarzglaslinse geblockt werden kann. Deshalb ist in dieser Anwendung kein Filter vor dem Sensor 20 notwendig, es liegt ausschließlich das Spektrum mit zweimaligem Gitterdurchgang an.
In dem Ausführungsbeispiel der Fig . 7 wird hingegen auf den Zeilensensor 20 ein Filter 20a gesetzt, der das Originalspektrum an dieser Stelle herausfiltert.
Die erfindungsgemäße Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht erlaubt es, einen breiten, ausgedehnten Wellenlängenbereich aufzuspalten, wobei ein Abschnitt des Spektrums eine Winkeldispersion aufweist, die höher ist als die Winkeldispersion im restlichen Wellenlängenbereich. Zudem ist die Anordnung durch den Einsatz eines einzigen dispersiven Elements und der Abbildung des Spektrums auf eine einzige Detektoranordnung, die mehrere
Detektorelemente z. B. Zeilensensoren 17, 20 enthalten kann, kostengünstig und kompakt.

Claims

Patentansprüche
Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht
- mit einem Beugungselement (1, 16),
- mit einem unter dem Winkel α zur Beugungselementnormalen auf das
Beugungselement (1, 16) einfallenden Strahlenbündel
(2), welches die Wellenlängen des Intervalls λ bis λ+Δλ enthält,
- mit einem ersten unter dem Winkel ß zur Beugungselementnormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel (3) der
Wellenlänge λ,
- und mit einem zweiten unter dem Winkel β+Δβ zur
Beugungselementnormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel (4) der Wellenlänge λ+Δλ, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung eine Rückführanordnung (5) aufweist,
- welche das erste gebeugte Strahlenbündel (3) ablenkt und als ein erstes rückgeführtes Strahlenbündel (6) unter einem Einfallswinkel αλ zur Beugungselementnormalen zurück auf das Beugungselement (1) richtet,
- und welche gleichzeitig das zweite gebeugte Strahlenbündel (4) ablenkt und als ein zweites rückgeführtes Strahlenbündel (7) unter dem Einfallswinkel α,+Δα zur Beugungselementnormalen zurück auf das Beugungselement (1) richtet, in der Weise, dass
- die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen aufweisen.
Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) eine geraden Anzahl von reflektierenden Bauteilen (10, 11, 18, 19) aufweist, die durch ihre aufeinander folgenden Reflexionen bewirken, dass die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen haben.
3. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) exakt zwei reflektierende Bauteile (10, 11, 18, 19) aufweist, die mit ihren
aufeinander folgenden Reflexionen bewirken, dass die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen haben.
4. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass über die Anordnung der
reflektierenden Bauteile (10, 11, 18, 19) der Einfallswinkel αλ und somit der Beugungswinkel ß' einstellbar sind. .
5. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungselement (1, 16) ein reflektierendes Gitter ist.
6. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) wenigstens ein wellenlängendispersives Element aufweist, so dass neben dem Vorzeichenwechsel zwischen Δαλ und Δβ zusätzlich eine Winkelaufweitung |Δαλ | > |Δβ| eintritt.
7. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) Wellenlängenteilbereiche innerhalb des Intervalls λ bis λ+Δλ herausfiltert, die nicht auf das Beugungselement (1, 16) zurückgeführt werden.
8. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) mindestens ein optisches Element mit
gekrümmter Oberfläche aufweist, wodurch eine Divergenz des
einfallenden Strahlenbündels (2) und des gebeugten Strahlenbündels (3, 4, 21) korrigiert wird .
9. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das
Beugungselement (1) eine sphärische Oberfläche besitzt.
10. Anordnung zur spektralen Zerlegung von Licht nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die
Beugungsordnung N gleich 1 oder 2 ist.
11. Optisches Spektrometer aufweisend
- einen Eintrittsspalt (15), von dem in das Spektrometer einfallendes
Licht auf ein reflektierendes Beugungsgitter (1, 16) fällt,
- - mit einem unter dem Winkel α zur Beugungsgitternormalen auf das
Beugungsgitter (1, 16) einfallenden Strahlenbündel (2), welches die Wellenlängen des Intervalls λ bis λ+Δλ enthält,
- - mit einem ersten unter dem Winkel ß zur Beugungsgitternormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel (3, 21) der
Wellenlänge λ,
- - und mit einem zweiten unter dem Winkel β+Δβ zur
Beugungsgitternormalen in der Beugungsordnung N gebeugten Strahlenbündel (4, 21) der Wellenlänge λ+Δλ,
- und Detektoren (17, 20) zur Erfassung des von dem Beugungsgitter (1, 16) gebeugten Lichtes, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung weiterhin eine
Rückführanordnung (5) aufweist, die einen Teil des Spektralbereichs (21) des gebeugten Lichtes, aufweisend das erste gebeugte
Strahlenbündel (3, 21) und das zweite gebeugte Strahlenbündel (4, 21), auf das Beugungsgitter (1, 16) zurückführt, wobei
- das erste gebeugte Strahlenbündel (3, 21) als ein erstes rückgeführtes
Strahlenbündel (6, 22) unter einem Einfallswinkel αλ zur
Beugungsgitternormalen zurück auf das Beugungsgitter (1, 16) zurückgeführt ist, - und gleichzeitig das zweite gebeugte Strahlenbündel (4, 21) als ein zweites rückgeführtes Strahlenbündel (7, 22) unter dem
Einfallswinkel αλ+Δαλ zur Beugungsgitternormalen zurück auf das Beugungsgitter (1, 16) zurückgeführt ist, so dass
- die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen aufweisen.
12. Optisches Spektrometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) eine gerade Anzahl von reflektierenden Bauteilen aufweist, die durch ihre aufeinander folgenden Reflexionen bewirken, dass die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen haben.
13. Optisches Spektrometer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch
gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) exakt zwei
reflektierende Bauteile (10, 11, 18, 19) aufweist, die mit ihren
aufeinander folgenden Reflexionen bewirken, dass die Winkeldifferenzen Δαλ und Δβ verschiedene Vorzeichen haben.
14. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückführanordnung (5) mindestens ein optisches Element mit gekrümmter Oberfläche aufweist, wodurch eine Divergenz des einfallenden Strahlenbündels (2) und des gebeugten Strahlenbündels (3, 4, 21) korrigiert wird .
15. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Beugungsordnung N gleich 1 oder 2 ist.
16. Optisches Spektrometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Beugungsgitter (16) konkav ist und die Detektoren (17, 20) auf einem Rowland-Kreis angeordnet sind .
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Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB765441A (en) * 1953-03-24 1957-01-09 William George Fastie Spectroscopic device
US2868063A (en) * 1957-05-16 1959-01-13 Leeds & Northrup Co Adjustable mirror support in successive dispersion monochromator
US6061129A (en) * 1999-01-22 2000-05-09 Cymer, Inc. Compact high resolution grating spectrometer
US6166805A (en) * 1998-07-13 2000-12-26 Ando Electric Co., Ltd. Double pass monochromator
US20020135879A1 (en) * 2001-02-20 2002-09-26 Valdimir Pogrebinsky Super high resolution optical resonator
WO2015018790A1 (fr) * 2013-08-06 2015-02-12 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Spectrometre a plusieurs reseaux de diffraction.

Family Cites Families (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2922331A (en) 1953-03-24 1960-01-26 Walter G Finch Spectroscopic device
EP1031825B1 (de) 1999-02-26 2006-06-14 Yokogawa Electric Corporation Doppelmonochromator

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB765441A (en) * 1953-03-24 1957-01-09 William George Fastie Spectroscopic device
US2868063A (en) * 1957-05-16 1959-01-13 Leeds & Northrup Co Adjustable mirror support in successive dispersion monochromator
US6166805A (en) * 1998-07-13 2000-12-26 Ando Electric Co., Ltd. Double pass monochromator
US6061129A (en) * 1999-01-22 2000-05-09 Cymer, Inc. Compact high resolution grating spectrometer
US20020135879A1 (en) * 2001-02-20 2002-09-26 Valdimir Pogrebinsky Super high resolution optical resonator
WO2015018790A1 (fr) * 2013-08-06 2015-02-12 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Spectrometre a plusieurs reseaux de diffraction.

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