DE3113984C2 - Doppelmonochromator - Google Patents

Abstract

Der als Gittermonochromator ausgebildete Vormonochromator (28) weist ein konkaves Beugungsgitter (12) auf, über welches eine Lichtquelle (10) unmittelbar auf einen Austrittsspalt (16) abgebildet wird. Das Beugungsgitter (12) ist hinsichtlich der Verteilung der Gitterkonstanten so unsymmetrisch, daß die Bildweite (b) bei der Schwenkbewegung des Beugungsgitters (12) im wesentlichen ungeändert bleibt.

Description

— = 600 Linien/mm
g

beträgt,

(0 die auf den Absolutwert der Gitterkonstante bezogene Änderung der Gitterkonstante pro Millimeter im Scheitelpunkt des Gitters

C=-0,00393

beträgt,

(g) der Winkel zwischen dem auf das Beugungsgitter (12) einfallenden Strahl und dem von dem Beugungsgitter (12) auf dem Spait (16) gesammelten Strahl

β = 35°

ist und

(h) die Bildweite 6= 120 mm und die Gegenstandsweite α = 60 mm beträgt.

Die Erfindung betrifft einen Doppelmonochromator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Einfachmonochromatoren enthalten einen Lichtquellenteil mit einer Lichtquelle und einem Hohlspiegel, durch welchen die Lichtquelle auf den Eintrittsspalt des eigentlichen Monochromators abgebildet wird. Bei einem solchen Einfachmonochromator fällt auf den Eintrittsspalt Licht verschiedener Wellenlängen, beispielsweise ein Kontinuum. Dieses Licht läuft nicht nur längs des idealen, theoretischen Strahlenganges durch das Gerät, wobei nur ein definiertes Spektralband durch den Austrittsspalt gelangen würde. Vielmehr gelangt auch ein gewisser Anteil des durch den Eintrittsspalt eingetretenen Lichts durch Streuung od. dgl. auf anderen Wegen zum Austrittsspalt, so daß am Austrittsspalt außer dem gewünschten Spektralband auch ein Anteil anderer, unerwünschter Wellenlängen erscheint. Dieser Anteil kann möglicherweise zwar klein sein. Durch ungünstige Empfindlichkeitscharakteristiken mancher photoelektrischer Empfänger, die am Rande des abgetasteten Wellenlängenbereichs eine steil abfallende Flanke haben, kann dadurch jedoch das Verhältnis von Störsignal zu Nutzsignal in untragbarer Weise verschlechtert werden.

Durch die DE-AS 27 30613 ist ein Doppelmonochromator bekannt, bei welchem der Lichtquellenteil durch einen Vormoiiochromator ersetzt ist. Dieser Vormonochromator enthält einen feststehenden Hohlspiegel und ein verschwenkbares ebenes Beugungsgitter. Das von der Lichtquelle ausgehende Lichtbünde] wird von dem Hohlspiegel auf das Beugungsgitter geleitet. Ein monochromatisieries Lichtbündel, dessen Wellenlänge von der Stellung des verschwenkbaren Beugungsgitters abhängt, fällt auf den Eingangsspalt des Hauptmonochromators. Durch einen Wellenlängenantrieb werden beide Monochromatoren synchron durchgestimmt. Auf diese Weise gelangt in den Strahlengang des Hauptmonochromators bereits nur Licht aus einem begrenzten Wellenlängenbereich um den gewünschten Wellenlängenbereich herum. Dadurch kann der Anteil an Störlicht, der auf den Austrittsspalt gelangt, erheblich vermindert werden. Der Vormonochromator nach der DE-AS 27 30613 hat einen besonders einfachen Aufbau. Der Hohlspiegel ist im Strahlengang vor dem Beugungsgitter derart angeordnet, daß er das Beugungsgitter mit einem konvergenten Lichtbündel beaufschlagt. Der Vormonochromator besitzt eine wesentlich größere spektrale Bandbreite als der Hauptmonochromator. Der Wellenlängenantrieb weist einen Stellantrieb auf, der eine lineare Verdrehung des Beugungsgitters des Vormonochromators mit der Wellenlänge bewirkt. Infolge dieses einfachen Aufbaus kann ein solcher Vormonochromator in vielen Fällen anstelle eines Lampenteils eines Einfachmonochromators vorgesehen werden, ohne daß hierzu wesentliche Änderungen auf Grundaufbau und an den Abmessungen des Gerätes vorgenommen werden müßten. Bei manchen Konstruktionen ist dies jedoch nicht möglich. Insbesondere bietet eine nachträgliche Umrüstung solcher Geräte Schwierigkeiten.

Durch'die US-PS 3909134 und die US-PS 3930728 sind Monochromatoren mit konkaven Gittern bekannt, bei denen das Gitter um seinen Scheitelpunkt verschwenkt wird. Der Monochromator enthält dabei einen feststehenden Eintrittsspalt und einen ebenso feststehenden Austrittsspalt in bestimmten Lagen zu dem Gitter. Die Abbildung des Eintrittsspalts über das Gitter auf den Austrittsspalt soll dabei durch die Verschwenkung des Gitters nur wenig beeinflußt werden.

Bei der US-PS 3909134 sollen die Gitterlinien von den Schnittlinien der das konkave Gitter bildenden Kugelkalotte mit einer Schar von Rotationskegelschnitten gebildet sein, wobei ein Brennpunkt jedes dieser Rotationskegelschnitte mit dem Krümmungsmittelpunkt der Kugelkalotte zusammenfällt. Das Gitter ist daher hinsichtlich der Verteilung der Gitterlinien symmetrisch. Bei der US-PS 39 30728 sind die Gitterlinien bei einem holographisch hergestellten Gitter definiert durch Interferenzlinien, die von zwei in bestimmter Weise unsymmetrisch in bezug auf das Gitter angeordneten, kohärenten Lichtquellen auf der das Gitter bildenden Kugelkalotte erzeugt werden. Diese Bedingung führt zu einer unsymmeirischen Verteilung der Gitterlinien.

Der Winkel zwischen einfallendem und ausfallendem Strahl am Beugungsgitter beträgt dort 85,7°. Das bedingt eine relativ sperrige Konstruktion des Monochromators.

Es ist weiterhin ein Doppelmonochromator bekannt (Prospekt der Firma Instruments S.A., Longjumeau, Frankreich »Excellence in Optics«, 1978 insbesondere DH-IO Double Monochromator) bei welchem Haupt- und Vormonochromator als Gittermonochromator aufgebaut sind. Der Vormonochromator enthält wie der Hauptmonochromator ein konkav ausgebildetes Beugungsgitter. Über das Beugungsgitter wird ein Lichtquellenbild, nämlich ein Eintrittsspalt des Vormonochromators unmittelbar auf einen den Eintrittsspalt des Hauptmonochromators bildenden Spalt abgebildet. Das Beugungsgitter ist als holographisches Gitter so unsymmetrisch geteilt, daß die Bildweite bei der Schwenkbewegung des Beugungsgitters im wesentlichen ungeänderr bleibt.

Bei dem bekannten Doppelmonochromator sind Vor- und Hauptmonochromator im wesentlichen übereinstimmend ausgebildet. Eine Lichtquelle wird auf den Eingangsspalt des Vormonochromators abgebildet. Der Winkel zwischen dem auf das Gitter des Vormonochromators fallenden einfallenden Lichtbündel und dem von dem Gitter auf den Eintrittsspalt des Hauptmonochromators geleiteten ausfallenden Lichtbündel beträgt dabei etwa 60°. Der bekannte Doppelmonochromator erfordert daher relativ viel Raum.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Doppelmonochromator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 so auszubilden, daß der Vormonochromator ohne weiteres anstelle des üblichen Lampenteil eines Einfachmonochromators vorgesehen werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies durch die im Kennzeichen des Palentanspruchs 1 aufgeführten Maßnahmen erreicht.

Es kann dann das verschwenkbare Beugungsgitter des Vormonochromators ohne weiteres an die Stelle des Hohlspiegels des Lampenteils treten. Durch geeignete unsymmetrische Teilung des Beugungsgitters kann erreicht werden, daß auch unter Berücksichtigung der Abbildungseigenschaften des Gitters während der gesamten Abtastung des Wellenlängenbereichs die Lichtquelle in der Ebene des Eintrittsspalts auf diesen monochromatisch abgebildet wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend unter Bezugnahme auf die zugehörigen Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt schematisch die optische Anordnungeines Doppelmonochromator.

Fi g. 2 zeigt die Abhängigkeit der Bildweite des konkaven Beugungsgitters von der Wellenlänge.

In Fig. 1 ist mit IO eine Lichtquelle bezeichnet, die durch ein verschwenkbares konkaves Beugegitter 12 auf den Eintrittsspalt 16 eines Hauptmonochromators 18 abgebildet wird. Der Hauptmonochromator 18 enthält einen Kollimatorspiegel 20. in dessen Brennebene der Eintrittsspalt 16 liegt. Der Kollimatorspiegel 20 erzeugt ein einfallendes Parallellichtbündel 22, das auf ein Beugungsgitter 24 fällt. Das Beugungsgitter 24 wirft für jede Wellenlänge ein gebeugtes Parallellichtbündel 26 zurück. Normalerweise würde von dem Beugungsgitier ein Kontinuum von gebeugten Parallellichtbündeln in verschiedene von der jeweiligen Wellenlänge abhängige Richtungen zurückgeworfen. Durch den Vormonochromator, der generell mit 28 bezeichnet ist, wird aus diesem Kontinuum jedoch schon ein relativ schmales Spektralband ausgesondert. Die gebeugten Parallellichtbündel fallen wieder auf den Kollimatorspiegel 20. und dieser erzeugt aus den Parallellichtbündeln 26 über einen Planspiegel 30 ein aus Bildern des Eintrittsspaltes 16 bestehendes Spektrum in der Ebene eines Austrittsspaltes 32.

In den Strahlengang des Vormonochromators 28 zwischen Lichtquelle 10 und Beugungsgitter 12 taucht ein Filterschieber 34 ein. Dieser Filterschieber 34 ist mit einem Wellenlängenanirieb 36 gekuppelt. Mit dem WeI-lenlängenanlrieb 36 ist außerdem über einen durch eine gestrichelte Linie angedeuteten linearen oder sonstwie möglichst einfachen Stelltrieb 40 das Beugungsgitter 12 gekoppelt, das um eine Achse 38 verschwenkbar ist. Mit dem Wellenlängenantrieb 36 ist weiterhin das Beugungsgitter 24 des Hauptmonochromators 18, das um eine Achse 42 verschwenkbar ist, über einen Sinustrieb 44 gekuppelt, so daß der Sinus des Schwenkwinkels proportional der vom Wellenlängenantrieb 36 vorgegebenen Wellenlänge wird. Ein solcher Sinustrieb, der an sich bekannt ist, kann eine nach Maßgabe der Wellenlänge verdreh bare Spindel enthalten, auf der eine geradgeführte Mutter sitzt. Ein mit dem Beugungsgitter 24 verbundener Hebel liegt kraftschlüssig an einer Planfläche der Mutter an.

Bei einer bestimmten Wellenlänge wird durch den Filterschieber 34 ein Planspiegel in den Strahlengang eingeschoben. Über diesen Planspiegel wird das Lichtbündel einer zweiten Lichtquelle 10/4, z. B. einer Wolframlampe, in den Strahlengang eingespiegelt.

Es kommt bei der beschriebenen Anordnung darauf an, daß die Lichtquelle 10 über das konkave Beugungsgitter 12 stets in der Ebene des Eintrittsspalts 16 abgebildet wird, daß also die Bildweitenvariation gering gehalten wird. Gegenüber normalen ebenen Beugungsgittern zeigen konkave Beugungsgitter nicht nur eine einzige Gitterkonstante. Vielmehr variiert die Gitterkonstante über die Gitteroberfläche. Der spektrale Verlauf der Bildweite ist sehr stark von dieser Variation abhängig. Üblicherweise ist die Änderung der Gitterkonstante über die Gitteroberfläche hinweg symmetrisch, praktisch so, daß die Gitterlinien von vorn auf das Gitter gesehen in gleichen Abständen erscheinen. Der Gradient der Gitterkonstante im Scheitelpunkt des Beugungsgitters ist null. Eine solche Ausbildung des Beugungsgitters führt zu einer sehr starken Bildweitenvariation mit der Wellenlänge.

Bei der vorliegenden Anordnung ändert sich die Gitlerkonstante über das Gitter hinweg unsymmetrisch. Im Zentrum oder im Scheitelpunkt des Gitters ergibt sich ein endlicher Gradient der Gitterkonstanten. Die Parameter können dann so gewählt werden, daß sich die Bildweite beim Verschwenken des Gitters und damit bei der Veränderung der Wellenlänge der die Abbildung auf dem Eintrittsspalt 16 hervorrufenden Strahlung praktisch nicht ändert.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel, bei dem der Lainpenteil eines üblichen Einfachmonochromators durch einen entsprechend aufgebauten Vormonochromator 28 ersetzt werden sollte, wobei an die Stelle des Hohlspiegels ein konkaves Beugungsgitter tritt, waren folgende Parameter der geometrischen Anordnung vorgegeben:

Die Gegenstandsweite beträgt α = 60 mm, die Bildweite b= 120mm, so daß sich ein Abbildungsverhältnis von 2: 1 ergibt. Der Winkel zwischen einfallendem und ausfallendem Bündel ist 0 = 35°.

Es wurden Formeln abgeleitet, die die Berechnung der Bildweite bei einem konkaven Beugungsgitter für beliebige, von 1:1 verschiedene Abbildungsverhältnisse gestatten. Mittelseines Rechners, derdie Ergebnisse als graphische Darstellungen liefert, wurden die Variationen der Bildweiten für verschiedene Parameter dargestellt. Es gelang dabei durch geeignete Parameterwahl ein konka-

ves Beugungsgitter 12 zu linden, das bei den oben angegebenen Größen a, h und β in einem Spektralbereich von 190 nm bis 9(X) nm eine praktisch vernachlässigbare Bildweitenvariation zeigt.

Als Kehrwert der Gitterkonstante g wurde bei dem Ausführungsbeispiel im Zentrum des Beugungsgitters

-- = 600 Linien/mm

gewählt. Der Krümmungsradius des Beugungsgitters beträgt

Λ = 83,2 mm.

Der relative Gradient der Gitterkonstanle, d. h. die auf den Absolutwert der Gitterkonstante bezogene Änderung der Gitterkonstante pro Millimeter beträgt im Scheitelpunkt des Gitters

C = -0,00393.

Für den Bereich des Drehwinkels α ergeben sich für den vorerwähnten Wellenlängenbereich folgende Grenzwerte:

Der Sollwert B_s der normierten Bildweite B. welcher einer Abbildung auf dem Eintriitsspalt 16 des Hauptmonochromators 18 entspricht, liegt bei

Dieser Sollwert ist in Fig. 2 durch eine waagerechte Linie dargestellt. Man erkennt, daß bei den gewählten Parametern A, β und G' die maximalen positiven und negativen Abweichungen der Bildweite B von dem Wert ίο 2 A etwa gleich groß sind. Sie sind, wenn man die starke Ordinatendehnung von F i g. 2 in Betracht zieht, die einen Ordinatenbereich zwischen 1,4 und 1,46 umfaßt, praktisch vernachlässigbiir. Die relative Bildweile B liegt im Bereich von

X. [nm]

190

900

sin α

0,0598

0,2831

5=2,4 ±0,008,

was einer Abweichung von ±0,55% entspricht. Für die absolute Bildweite b ergibt sich dann

Λ = 120mm±0,66 mm.

Die Schwankung der Bildweiten sind daher bei günstigerem mechanischen Aufbau um eine Größenordnung geringer als bei der Anordnung nach der DE-AS 27 30 613(vgl. dort Tabelle 1).

Die Verschwenkung des Beugungsgitters 12 erfolgt nicht über einen Sinustrieb sondern z.B. linear mit der Wellenlänge. Der Vormonochromator 28 hat eine wesentlich größere spektrale Bandbreite als der Hauptmonochromalor 18. Es läßt sich zeigen, daß unter den oben

In Fig. 2 ist als Abszisse sin α als lineares Maß für die
Wellenlänge aufgetragen. Die vorgenannten Bereichsgrenzen sind durch die beiden senkrechten Striche ge- 30 angegebenen Verhältnissen die lineare Verdrehung des kennzeichnet. Als Ordinate ist die normierte, also auf den Beugungsgitters 12 (statt einer Verdrehung über einen

Sinustrieb) praktisch keinen Einfluß auf die spektrale Zusammensetzung der in den Hauptmonochromator eintretenden Strahlung hat.

Der Stelltrieb 40 kann linear sein. Er kann aber auch eine geringfügig nichtlineare (nicht-sinusförmige) Charakteristik haben, wenn sich eine solche aus Gründen der konstruktiven Vereinfachung ergibt. Schließlich könnte natürlich auch eine Verstellung des Beugungsgitters 12 über einen Sinustrieb erfolgen, obwohl eine solche für den Vormonochromator an sich nicht notwendig ist.

Krümmungsradius R des Beugungsgitters 12 bezogene, Bildweite

-1

aufgetragen. Entsprechend erscheint als Parameter die ebenfalls normierte Gegenstandsweite

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentanspruch:

1. Doppelmonochromator zur Monochromaiisierung der Strahlung einer Lichtquelle mit

(a) einem Hauptmonochromator (18)

(b) einem Vormonochromator (28) mit einem verschwenkbaren Beugungsgitter (12), (b,) das konkav ausgebildet ist,

(b₂) über welches die Lichtquelle (10) oder ein Lichtquellenbild unmittelbar auf einen den Eintrittsspalt des Hauptmonochromators (18) bildenden Spalt (16) abgebildet wird und

(b₃) das so unsymmetrisch geteilt ist, daß die Bildweite (b) bei der Schwenkbewegung des Beugungsgitters (12) im wesentlichen ungeändert bleibt, and

(c) einem Wellenlängenantrieb (36) zur synchronen Durchstimmung der beiden Monochromaloren (18, 28),

dadurch gekennzeichnet, daß für einen Wellenlängenbereich von X — 190nm bis X =900 nm,

(d) der Krümmungsradius des Beugungsgitters (12) /? = 83,2nm beträgt,

(e) der Kehrwert der Gitlerkonstanten im Zentrum des Beugungsgitters