Ein Spektrometer trennt eine einfallende Lichtquelle in ihre spektralen Komponenten und misst dabei die ausgehende Lichtintensität einer Substanz über einen breiten Spektralbereich. Das einfallende Licht der Lichtquelle kann durch die Probe geleitet, absorbiert oder reflektiert werden. Sie wird häufig für die spektroskopische Analyse von Probenmaterialien eingesetzt.
Ein Monochromator erzeugt einen Lichtstrahl mit extrem schmaler Bandbreite oder Licht einer einzigen Farbe. Es wird in optischen Messinstrumenten verwendet, bei denen abstimmbares monochromatisches Licht gesucht wird.
Ein Spektrograph teilt das Licht eines Objekts in seine einzelnen Wellenlängen, damit es aufgezeichnet und analysiert werden kann. Es liefert ein Bild der definierten Bandbreite und Wellenlänge. Ein Spektrograph enthält einige Mittel, wie einen elektronischen Detektor, um das Spektrum zur Analyse aufzuzeichnen.
Monochromator- und Spektrometersysteme bilden ein Bild des Eingangsspalts in der Austrittsebene bei den Wellenlängen der Lichtquelle. Es gibt zahlreiche Konfigurationen, durch die dies erreicht werden kann; nur die gebräuchlichsten werden in diesem Dokument behandelt, darunter Plane Grating Systems (PGS) und Aberration Corrected Holographic Grating (ACHG) Systeme.
Definitionen:
LA – Länge des Eintrittsarms
LB – Länge des Austrittsarms
h – Höhe des Eingangsspalts
h' – Bildhöhe des Eingangsschlitzes
α – Einfallswinkel
β – Beugungswinkel
w – Breite des Eingangsschlitzes
w' – Breite des Eingangsspaltbilds
Dg – Durchmesser eines runden Gitters
Wg – Breite eines rechteckigen Gitters
Hg – Höhe eines rechteckigen Gitters
Ein Fastie-Ebert-Instrument besteht aus einem großen kugelförmigen Spiegel und einem ebenen Beugungsgitter.
Ein Fastie-Ebert-Instrument besteht aus einem großen kugelförmigen Spiegel und einem ebenen Beugungsgitter (siehe Abb. 9).
Ein Teil des Spiegels kollimiert zuerst das Licht, das auf das Gitter der Ebene fällt. Ein separater Teil des Spiegels fokussiert dann das verteilte Licht vom Gitter auf Bilder des Eingangsspalts in der Austrittsebene.
Der Czerny-Turner-(CZ)-Monochromator besteht aus zwei konkaven Spiegeln und einem ebenen Beugungsgitter. Durch die Verwendung einer asymmetrischen Geometrie kann eine Czerny-Turner-Konfiguration so entworfen werden, dass ein abgeflachtes Spektralfeld und eine gute Komakorrektur bei einer Wellenlänge erzeugt wird.
Der Czerny-Turner (CZ) Monochromator besteht aus zwei konkaven, konkaver Spiegeln und einem ebenen Beugungsgitter (siehe Abb. 10).
Obwohl die beiden Spiegel in denselben getrennten Funktionen wie der einzelne sphärische Spiegel der Fastie-Ebert-Konfiguration funktionieren, d. h. zuerst die Lichtquelle kollimieren (Spiegel 1) und zweitens das verteilte Licht vom Gitter fokussieren (Spiegel 2), ist die Geometrie der Spiegel in der Czerny-Turner-Konfiguration flexibel.
Durch die Verwendung einer asymmetrischen Geometrie kann eine Czerny-Turner-Konfiguration so entworfen werden, dass ein abgeflachtes Spektralfeld und eine gute Komakorrektur bei einer Wellenlänge erzeugt wird. Sphärische Aberration und Astigmatismus bleiben auf allen Wellenlängen bestehen.
Es ist auch möglich, ein System zu entwerfen, das sehr große Optiken aufnehmen kann.
CZ-Monochromator: Gibt schmales monochromatisches Licht durch den Schlitz aus.
Im gängigen Czerny-Turner-Design wird die breitbandige Beleuchtungsquelle (A) auf einen Eingangsspalt (B) gerichtet. Die verfügbare Lichtenergie hängt von der Intensität der Quelle im durch den Spalt definierten Raum (Breite x Höhe) und dem Akzeptanzwinkel des optischen Systems ab. Der Schlitz wird am effektiven Fokus eines gebogenen Spiegels (des Kollimators C) platziert, sodass das vom Spiegel reflektierte Licht des Spalts kollimiert wird (auf unendlich fokussiert). Das kollimierte Licht wird vom Gitter (D) abgeleitet und dann von einem anderen Spiegel (E) aufgenommen, der das nun zerstreute Licht auf den Austrittsspalt (F) neu fokussiert.
CZ-Monochromator: Gibt schmales monochromatisches Licht durch den Schlitz aus.
CZ-Spektrograph: Anstatt einen Schlitz am Austrittsspalt zu verwenden, wird ein Array-Detektor am Austrittsspalt platziert; in diesem Fall deckt der Spektrograph in einer Aufnahme einen bestimmten spektralen Bereich ab.
CZ-Spektrograph: Anstatt einen Schlitz am Austrittsspalt zu verwenden, wird ein Array-Detektor am Austrittsspalt platziert; in diesem Fall deckt der Spektrograph in einer Aufnahme einen bestimmten spektralen Bereich ab.
PGS-Spektrometer zeigen bestimmte Aberrationen, die die spektrale Auflösung, räumliche Auflösung oder das Signal-Rausch-Verhältnis beeinträchtigen. Die bedeutendsten sind Astigmatismus, Koma, sphärische Aberration und Defokussierung. PGS-Systeme werden außerhalb der Achse verwendet, sodass die Aberrationen in jeder Ebene unterschiedlich sind. Es fällt nicht in den Rahmen dieses Dokuments, die Konzepte und Details dieser Aberrationen zu überprüfen, (4) es ist jedoch nützlich, das Konzept des optischen Pfadunterschieds (OPD) zu verstehen, wenn man die Auswirkungen von Aberrationen betrachtet.
Im Grunde ist ein OPD der Unterschied zwischen einer tatsächlich erzeugten Wellenfront und einer "Referenzwellenfront", die entstehen würde, wenn keine Aberrationen vorhanden wären. Diese Referenzwellenfront ist eine Kugel, die im Bild zentriert ist, oder eine Ebene, wenn das Bild im Unendlichen liegt.
Zum Beispiel: Fokussierung führt dazu, dass Strahlen außerhalb der Detektoroberfläche einen Fokus finden und ein verschwommenes Bild erzeugen, das den Bandpass, die räumliche Auflösung und das optische Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert. Ein gutes Beispiel könnte der kugelförmige Wellenfront-Beleuchtungsspiegel M1 in Abb. 10 sein. Defokussierung sollte bei einem PGS-Monochromator, der mit einem einzelnen Austrittsschlitz und einem PMT-Detektor verwendet wird, kein Problem sein. In einem unkorrigierten PGS gibt es jedoch eine Feldkrümmung, die eine Defokussierung an den Enden eines planaren linearen Diodenarrays anzeigen würde. Geometrisch korrigierte CZ-Konfigurationen wie die in Abb. 10 gezeigte beseitigen das Problem nahezu vollständig. Die OPD variiert durch Defokussierung als das Quadrat der numerischen Apertur.
Das Koma ist das Ergebnis der Off-Achse-Geometrie eines PGS und wird als eine Verschiebung von Strahlen in der Dispersionsebene wahrgenommen, die die Basis auf einer Seite einer Spektrallinie vergrößern.
Das Koma ist das Ergebnis der Off-Achse-Geometrie eines PGS und wird als eine Verschiebung von Strahlen in der Dispersionsebene gezeigt, die die Basis auf einer Seite einer Spektrallinie vergrößern, wie in Abb. 13 gezeigt. Ein Koma kann sowohl für einen verschlechterten Bandpass als auch für das optische Signal-Rausch-Verhältnis verantwortlich sein. Die OPD variiert aufgrund des Koma als Würfel der numerischen Apertur. Ein Koma kann bei einer Wellenlänge in einer CZ korrigiert werden, indem eine geeignete Betriebsgeometrie berechnet wird, wie in Abbildung 13 gezeigt.
Sphärische Aberration ist das Ergebnis davon, dass Strahlen, die vom Zentrum einer optischen Oberfläche ausgehen, nicht denselben Brennpunkt wie die aus dem Zentrum finden.
Die sphärische Aberration ist das Ergebnis davon, dass Strahlen, die vom Zentrum einer optischen Oberfläche ausgehen, nicht denselben Brennpunkt wie die aus dem Zentrum finden (siehe Abb. 14). Die OPD variiert aufgrund der sphärischen Aberration mit der vierten Potenz der numerischen Apertur und kann ohne den Einsatz asphärischer Optik nicht korrigiert werden.
Im Fall von Astigmatismus zeigt ein kugelförmiger Spiegel, der von einer ebenen Welle beleuchtet wird, die im Winkel zur Normalen einfällt, zwei Brennpunkte: den tangentialen Fokus und den sagittalen Fokus.
Astigmatismus ist charakteristisch für die Off-Axis-Geometrie. In diesem Fall zeigt ein kugelförmiger Spiegel, der von einer ebenen Welle beleuchtet wird, die im Winkel zur Normalen einfällt (wie Spiegel M2 in Abb. 10), zwei Brennpunkte: den tangentialen Fokus Ft und den sagittalen Fokus FS.
Astigmatismus hat die Wirkung, dass ein Punkt am Eingangsspalt als Linie senkrecht zur Dispersionsebene am Austritt abgebildet wird (siehe Abb. 15), wodurch die räumliche Auflösung verhindert und die Schlitzhöhe mit der anschließenden Verschlechterung des optischen Signal-Rausch-Verhältnisses erhöht wird.
Die OPD variiert aufgrund von Astigmatismus mit dem Quadrat der numerischen Apertur und dem Quadrat des Off-Achsen-Winkels und kann ohne den Einsatz der asphärischen Optik nicht korrigiert werden.
Bildschaltplan von Toroidal- und Kugelspiegeln
Ein toroidaler Spiegel korrigiert Astigmatismus und ermöglicht es, dass die tangentialen (auflösungsoptimierten) und sagittalen (bildoptimierten) Brennflächen sich im Zentrum der Brennebene kreuzen.
Dies bietet die Flexibilität, zwischen Bildgebung und Auflösungsoptimierung (mit einem CCD-Detektor) zu wählen, indem der gewünschte Detektionswinkel ausgewählt wird. Dadurch erhält der Spektrograph die größten flachen Felder, die in einem Bildspektrographen verfügbar sind.
Korrektur von Astigmatismus durch Verwendung toroidaler Spiegel
Jüngste Fortschritte in der holografischen Gittertechnologie ermöglichen nun eine vollständige Korrektur ALLER Aberrationen, die in einem kugelförmigen, spiegelbasierten CZ-Spektrometer bei einer Wellenlänge vorhanden sind, mit ausgezeichneter Abschwächung über einen weiten Wellenlängenbereich (12).
Ein ACHG-Monochromator
Sowohl Monochromatoren als auch Spektrographen dieses Typs verwenden ein einziges holografisches Gitter ohne Nebenoptik.
In diesen Systemen fokussiert das Gitter sowohl das einfallende Licht als auch diffraktiert es.
Mit nur einer Optik im Design sind diese Geräte kostengünstig und kompakt. Abb. 18 zeigt einen ACHG-Monochromator. Abb. 19 illustriert ein ACHG-Spektrograph, bei dem die Lage der Brennebene durch folgende Punkte bestimmt wird:
βH – Winkel zwischen senkrecht zur Spektralebene und Gitternormal.
LH – Senkrechte Entfernung von der Spektralebene zum Gitter.
Ein ACHG-Spektrograph
Aus Gleichung (2),
Dv = β-α (bleibt konstant)
Unter Verwendung dieser Gleichung und Gleichung (3),
*Verwenden Sie die Gleichungen (19) und (2), um α bzw. β zu bestimmen.
Hinweis: In der Praxis wird die höchstmögliche Wellenlänge durch die mechanische Rotation des Gitters begrenzt. Das bedeutet, dass die Verdopplung der Rillendichte des Gitters den spektralen Bereich halbiert.
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