Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern
Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen

Diese Seite ist die Zusammenfassung von Kapitel7 des Buchs
"Fundamentals of Dispersive Optical Spectroscopy Systems",
ISBN 9780819498243, beim SPIE-Verlag, Bellingham, WA, USA

Anwendung – C1
Kalibrierung von Spektrometern
 

Diese Seite enthält das Inhaltsverzeichnis, die Kurzzeichen und Symbole, Umrechnungen, sowie die Gleichungen und Formeln, die Details sind exclusiv im Buch.

Anmerkung: Während auf der Homepage Spectra-magic.de das Thema Streulicht Teil der Anwendungen ist, wurde es in den Büchern bereits bei den "Fundamentals" präsentiert.
 

In der optischen Spektroskopie gibt es zwei Arten der Kalibrierung:

C1-A - kalibrieren der horizontalen Achse: Dispersion / Wellenlänge / Photonen-Energie
C1-B - kalibrieren der vertikalen Achse: Intensität / Signal / Beleuchtung.

Teil C1-B ist auch im Kapitel 5 "Beleuchtung / Radiometrie" beschrieben.

C1-A - Das Kalibrieren der Parameter-Achse
Dispersion / Wellenlänge / Photonen-Energie
 

C1.1 Parameter zur Definition der Winkelposition eines Dispersionselements
Die Position der Wellenlänge im Ausgang eines Gitterspektrometers wird abhängen von:
der Liniendichte des eingesetzten Gitters und
dem aktuellen Arbeitswinkel des Gitters;
die über die Gleichungen F1(1.1.0), F11 (2.2.1), and F12 (2.3.1) berechnet werden können.
Ein Prismenspektrometer wird eine Wellenlänge präsentieren, die abhängt von der Dispersion des Prismas, die wiederum Funktion ist von der Brechzahl bei der fraglichen Wellenlänge, dem Arbeits- und Beleuchtungwinkel. Die Berechnung kann über F6 (1.4.6), F7 (2.16.6) und F9 (2.16.6) erfolgen.
Allerdings gibt es noch weitere Parameter, die die ausgegebene Wellenlänge aller Arten von Spektrometern mit bestimmen:
der interne Öffnungswinkel, der in F1 und F12 berücksichtigt wird,
und die aktuelle Temperatur, wie unter F26 (2.15.1) dargestellt.
Weiterhin kann sich die Ausgangswellenlänge verändern, wenn Art und Winkel der Eingangsbeleuchtung variiert werden und nach einem Schock oder wenn Vibrationen das Gerät stören. Es sollte auch im Auge behalten werden, dass Modifikationen des Strahlengangs innerhalb des Spektrometers die Kalibrierung verändern können.

Als Konsequenz ergibt sich, dass die Energieachse (Wellenlänge, Wellenzahl, Photonenenergie etc) des öfteren zu überprüfen ist und ggf eine Nachkalibrierung erforderlich ist.

C1.2 Der Antrieb eines Gitter- oder Prismen-Spektrometers
C1.2.1 Gitter-Spektrometer mit Linearantrieb und Sinusfunktion
Grafik C1-1: der Sinusantrieb und seine Winkel

Grafik C1-1 ist eine Kombination von Grafik Nr. 17 und dem Verhalten der Sinusfunktion.
Grafik C1-2:  Gegenüerstellung von Winkel und Wellenlänge

Grafik C1-2 demonstriert das Verhältnis zwischen dem Arbeitswinkel eines Gitters mit 1200/mm, Sinus und Cosinus.
C1.2.2 Wie ein registrierendes System kalibriert wird.
C1.2.3 Wir starten mit der ersten Kalibrierung eines sinus-getriebenen Systems.
C1.2.4 Welche Parameter können die Linearität stören?
C1.2.5 Wann ist eine Nachkalibrierung oder zumindest eine Überprüfung nötig?
C1.2.6 Was wird zur Nachkalibrierung benötigt?
C1.3 Gitter-Spektrometer mit rotierendem Antrieb
Grafik C1-3: Ralation von Position und Wellenlänge in Scheiben- und Sinustrieb

Grafik C1-3 demonstriert die Beziehung zwischen dem Arbeitswinkel eines Gitters mit 1200/mm, montiert auf einer Scheibe, und der Winkelfunktion im Vergleich mit Sinedrive.
C1.3.1 Die Unterschiede bei der Erstkalibrierung eines Scheibensystems.
C1.3.2 Welche Parameter können die Linearität beeinträchtigen?
C1.3.3 Wann ist eine Nachkalibrierung oder zumindest eine Überprüfung nötig?
C1.3.4 Was wird zur Prüfung und Rekalibrierung erforderlich?
C1.4 Kalibrieren des Ausgangs-Bildfelds bei Spektrographen
Mithilfe der folgenden Gleichungen wird sichtbar, dass sich die Dispersion über das Bildfeld leicht ändert. Damit sind die Intervalle pro Distanz von der Mitte nicht äquidistant:
F1: m * l = k * (sin a ± sin b)
F3: m * dl = k * cos b * db 
oder   db / dl  =  ( m / ( k * cos b ))
F18: f* (db / dl) = f * m / (k * cos b)
F19:  f = arcsin ( l /( 2 * k * cos e))
F20: RLD = (cos (x + f) * k) /( f * m)

GrafikC1-4:die Wellenlängenverteilung im Ausgangsfeld

Grafik C1-4 zeigt die Wellenlängenverteilung im Ausgangsfeld eines Spektrographen.
Weitere Parameter, wichtig für Flächendetektoren:
C1.4.1 (bitte sehen Sie auch 3.1.5) Die Ausgangsdispersion als Funktion der lateralen Position im Ausgangsfeld

 Grafik C1-5: die Variation der Dispersion im Ausgangsfeld
Grafik C1-5
(=Grafik 58) vergleicht vier typische Dispersionskurven,
um zu zeigen, wie sich die Dispersion über die laterale Achse im Feldausgang verändert.
 

C1-B - Kalibrieren der Achse der Intensität / Signal / Beleuchtung
 

C1.5 Einleitung
Anwendungen, die das Kalibrieren der Intensitätsachse erfordern, haben fast immer mit der Übertragbarkeit der Intensitätswerte zu tun, ohne dass dabei das benutzte Instrumentarium vorher festgelegt ist, also Normierung.
Der gebräuchliche Name dafür ist "Radiometrie". Diese ist im Kapitel Beleuchtung, unter 5.5 behandelt. Dabei sind auch die radiometrische Nomenklatur und die nötigen Gleichungen definiert. Dese Seite beschäftigt sich mit den praktischen Aspekten, die zu zuverlässigen, kalibrierten Ergebnissen führen.

C1.5.1 Voraussetzungen für brauchbare Kalibrierdaten und deren Portierbarkeit
C1.5.2 Lichtquellen für radiometrische Kalibrierung
C1.5.3 Die Vorgehensweise
Grafik C1-6: Beispileskurven, die zur Y-Kalibrierung führen

Graph C1-6 zeigt typische Kurven, die zur Intensitätskalibrierung beitragen:
 

Alle Urheberechte für  "spectra-magic.de" und  "Optische Spektroskopie mit dispersiven Spektrometern Grundlagen - Bausteine - Systeme - Anwendungen" liegen bei Wilfried Neumann, D-88171 Weiler-Simmerberg. Status: April 2012, komplett.