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

Grundlagen 5: Beleuchtung von und mit Spektrometern:
Lichtquellen - Lichtleiter - Transfersysteme - Radiometrie.
 

Der Inhalt der GRUNDLAGEN-Seiten ist in erweiterter Form seit Juni 2014 als Buch verfügbar:

"Fundamentals of dispersive optical Spectroscopy Systems"

SPIE-Monograph, ISBN No.: 9780819498243

Auf den Internetseiten sind zu Ihrer Information noch die Überschriften, Gleichungen und Grafiken zu sehen. Wir hoffen, dass Ihnen die gezeigten Grafiken als Sammlung und das ausführliche Buch so helfen, wie es die spectra-magic.de/Grundlagen bisher taten.

Wenn Sie direkt zur Bestellseite bei SPIE weitergeleitet werden möchten, bitte hier anklicken!

5.0.0 Einleitung und Darstellung von Symbolen
5.0.1 Arbeit und Leistung von Lichtsignalen
Grafik 109 Photonen-Energie
Grafik 109:
die Darstellung der Leistung eines Photons über der Wellenlänge
5.0.2 Abstrahl-Charakteristik von Lichtquellen und deren prinzipielle Erfassung
Grafik 110A : Methoden der Lichtsammlung
Grafik 110
: Übersicht der wesentlichen Abstrahlformen von Lichtquellen

5.0.3 Definition der Strahlung, Parameter und Nomenklatur
Grafik 110B   Radiometrische Definitionen
Radiometrische Nomenklatur und Parameter, Erläuterung:

Die Radianz / spektrale Strahldichte
F32:
L = (F * W) /( A * dl ) in [µW/(sr * mm2 * nm)]

F33:  W = a/r2  [sr]

5.0.4 Die vorteilhafte Nutzung von W und sr
5.1. Lichtquellentypen und Lichtsammlung

5.1.1 Laserstrahlung
Grafik 111A - Laserstrahl-Profile
Grafik 111A
: Vier typische Strahlbilder (Fernfeld) von Lasern
 Grafik 11B - Laser-interne Spektrometer
Grafik 111B: Laser-internes Normal-Incidence-Spektrometer und Grazing-Incidence-Spektrometer.
Grafik 112: Sammlung von Laserlicht
Grafik 112
: eine der Möglichkeiten, einen Laserstrahl aufzuweiten,
5.1.2 Konusförmige Strahlung
Grafik 113 Sammlung von Konus-Licht
Grafik 113 zeigt zwei Möglichkeiten zum Transfer konusförmiger Quellenstrahlung mit
Linsen resp. Spiegeln, dazu einen typischen, konischen Breitbandstrahler, die Deuteriumlampe.

5.1.2.1 Die Deuteriumlampe
5.1.2.2 Hohlkathoden-Lampen (HKL
)
5.1.2.3 Beispiel zur Sammlung.

5.1.2.4
Die Strahlstärke ist in den Datenblättern oft als Wert M e(dl) = Fe(dl) / (m2 * nm) in gewissem Abstand angegeben,

5.1.3 Kugelförmige Strahlung mit praktisch punktförmiger Quelle – Lampen
 Grafik 114 - Sammlung von Lampenlicht
Grafik 114
: Möglichkeiten zur Sammlung und Spaltabbildung kugelförmiger Strahlung.
Grafik 115 - Wendel und Lichtbogen-Details
Grafik 115
: die in der Spektroskopie häufigsten Breitbandstrahler:
5.1.3.1 Glühwendel-Lampen

5.1.3.2
Lichtbogenlampen
5.1.3.3 Das Spektrum der Lampentypen

Grafik 116 Strahldichten einiger Strahler
Grafik 116
: Typische, vereinfachte, Spektren von Deuterium (violette Kurve, D2), Wolfram-Halogen (rote Kurve, HLX) und Xenon-Hochdruck

 

Leucht-

 

Quellenfläche

Emission M

Wellenlänge

Typ

mittel

P (W)

 x * y (mm)

W/(mm2 * nm)

nm

 

 

 

 

 

 

D-30

D2

30

1 mm

3

200

D-200

D2

200

1 mm

20

200

XBO-75

Xe

75

0,25 * 0,5

100

555

HBO-100

Hg-Xe

100

0,25 * 0,25

425

555

QTZ-300

Xe

300

0,75 * 1,5

100

555

XBO-450-OFR

Xe

450

0,9 * 2,7

88

555

QTZ-500

Xe

500

0,3 * 0,3

850

555

XBO-1000-W

Xe

1000

1,1 * 2,8

150

555

JQ-50

WH

50

1,5 * 3,2

2

555

JQ-250

WH

250

3,5 * 7

2

555

FEL-1000

WH

1000

7 * 20

2

555

Cesiwid-150

Globar

150

4 x 25

0,5

1000

SiC-50

Globar

50

3,8 * 5

0,1

1000

5.1.3.4 Zur Licht-Sammlung und Einleitung in Spektrometer.
5.1.4 Ungerichtete, diffuse Strahlung –  Integrationskugeln
 
Grafik 117 - Die Ulbricht-Kugel
Grafik 117
: Zwei typische Anwendungen für Integrationskugeln in der optischen Spektroskopie.
 Grafik 118: Beschichtungen von Integrationskugeln
Grafik 118: Effizienzkurven von Kugelbeschichtungen.
5.1.4.1 Die Effizienz einer Ulbricht-Kugel

 Grafik 119: Berechnungen an der Ulbrichtkugel

Grafik 119 enthält die Gleichungen mit grafischer Erläuterung zur Berechnung der Beleuchtungsstärke E
e(l) und der Strahldichte / Radianz L
e(l).
F34:  Ee(l) = F e(l) * { R / [p * As * { 1- [ R *(1 – f )]}]  in W / (cm2 * nm);
F35: L e(l) = Ee(l) * W in W / ( sr * cm2 * nm )
5.1.4.2 Die Sammlung von Lampenlicht
Grafik 120: Anwendungsbeispile mit Integrationskugel
Grafik 120
zeigt eine Lösungsmöglichkeit zur effizienten Erfassung mit großen, eventuell heißen Lampen.
5.1.4.3 Vorgehen beim Kugelentwurf
Zu erwarten ist

Quelle

Wellenlänge

Eingangs-F

Effizienz

Ausgangs-F

Ausgangs-F-Summe

 

nm

µW/nm

R

µW/nm

µW/nm

30-W-D2

200

4000

0,95

200

200

 

250

2000

0,96

110

110

 

300

1500

0,971

80

83

 

350

1000

0,975

60

73

 

400

500

0,978

30

80

100-W-Halogen

300

50

0,971

3

 

 

350

200

0,975

13

 

 

400

750

0,978

50

 

 

500

2000

0,98

140

140

 

600

4000

0,982

290

290

 

700

5000

0,974

340

340

 

800

6000

0,972

380

380

 

900

7000

0,967

430

430

 

1000

6500

0,965

410

410

 

1100

6000

0,963

330

330

5.1.5 NIR-Strahler
Grafik 121: Verlauf thermischer NIR-Quellen
Grafik 121
: Radianz thermischer Quellen im NIR bei Temperaturen zwischen 1300°C und 2927°C.
5.1.6 IR-Strahler
 Grafik 122A_Radianz thermischer IR-Quellen, linearGrafik 122B_Radianz thermischer IR-Quellen, logarithmisch
Grafik 122:
Typische Leistungsdaten von thermischen IR-Strahlern. Die Grafik zeigt zwei Mal die gleichen Kurven, oben mit linearer unten mit logarithmischer Ordinate.
5.2 Beispiele zur Optimierung von Spektrometer-Systemen

 Grafik 123A - Gitterselektion im UV

Grafik 123A
zeigt einen Messaufbau mit Deuterium-Lichtquelle,
Alternative Gitteroptimierung:
Grafik 123B - Gitter-Ordnungsselektion im UV
Grafik 123B: die reale Messung des Transfers eines
Spektrometers mit Deuterium-Lampe
Umschaltpunkte von Gittern und Detektoren
Grafik 124 - Optimierung des Lamenwechsels 
Grafik 124
demonstriert die Optimierung eines Aufbaus, ebenfalls für Relativ-Messungen.
Grafik 125 - Gut aufgelöstes Hochdruck-Xenon-Spektrum
Grafik 125 stellt ein gemessenes Xenonspektrum im Bereich 200 – 1700 nm dar.

5.2.1 was kommt am Ende wirklich aus einem Beleuchtungs-Monochromator ?
5.3 Lichttransfer und –Kopplung per Lichtleiter und Optik

5.3.1 Lichtleiter – Lichtwellenleiter - Lichtleitfaser- Faseroptik
Grafik 126: Aufbau einer Lichtleitfaser
Grafik 126
, Teile der Lichtleitfaser und Arbeitswinkel.
F36:  n0 * sina = ( n22 – n21 ) 1/2

 Grafik 127: typische Lichtleiter-Transmissionen
Grafik 127:
Einige typische Transmissionskurven von Lichtleitern in der Spektroskopie.
5.3.2 Lichtleiter-Parameter
5.3.2.1 Absorptionen

5.3.2.2 Solarisation
5.3.2.3 Biegeradius
5.3.2.4 Kopplungsverluste
5.3.2.5 Moden und Polarisation
5.3.2.6 Akzeptanzwinkel
5.3.2.7 Fluoreszenz-, Raman- und Brillouin-Überlagerung in Lichtleitern
5.3.3 Die "flexible optische Bank" und eine vorsorgliche Warnung
5.3.4 Formen und Ausführungen von Einzelfasern und Lichtleitkabeln
Die Grundformen
 Grafik 128: Einige Ausführungsformen von Lichtleitkabeln
Grafik 128
: Häufig benutzte Lichtleitkabel-Versionen. Erläuterungen:
5.4 Transfersysteme

5.4
. Transfer-Systeme allgemein

Grfik 125A - die generelle Abbildungsregel beim Lichttransfer

Grafik 125A: die generelle Abbildungs-Regel zum Lichttransfer
Die Relation zwischen Fokus-Distanz und Größe des reproduzierten Objekts ist gegeben durch die Gleichung F23C:
f1/O1 = f2/O2
5.4.1 Ein- und Auskopplung ausschließlich über Lichtleiter

 Grafik 129 - Effizienz der Lichletierkopplung

Grafik 129 zeigt die Spektrometer - Lichtleiter – Kopplung ohne Zusatzoptik.
5.4.2 Ein- und Auskopplung mit Linsensystemen
 
Grafik 130 - Linsenkopplung
Grafik 130
zeigt die Spektrometer – Lichtleiter – Kopplung mit Linsenoptik.
5.4.3 Ein- und Auskopplung mit Spiegelsystemen
 
Grafik 131 Beispile der Spiegelkopplung
Grafik 131
zeigt die Spektrometer – Lichtleiter – Kopplung mit Spiegeloptik.
5.5. Radiometrie

Die spektroskopische Radiometrie umfasst zwei Teilgebiete:
1) das spektrale und quantitative Vermessen einer Lichtquelle, das wiederum unterteilt werden kann in
1a) die Erfassung aller Abstrahlrichtungen und Winkel
1b) die Erfassung definierter Richtungen und Winkel
2)
das Beleuchten einer Probe mit bekannter Wellenlänge oder mit bekanntem Wellenlängen-Intervall und bekannter optischer Strahlstärke
W oder Beleuchtungssstärke E.
Die Radiometrie ist prinzipiell den Anwendungen zuzuordnen und nicht den Grundlagen. Weil sie jedoch einen Großteil der Zusammenhänge der Grundlagenseiten 1 bis 5 und viel mit der Beleuchtung zu tun hat, wird sie dennoch hier aufgenommen.

5.5.0 die SI-Einheit Lichtstärke
Als Bezugsgröße optischer Messungen dient als Mitglied der sieben SI-Grundeinheiten die „Lichtstärke“
,

5.5.1 Messung der spektralen Strahlstärke
 Grafik 132: Meßsystem für die spektrale Strahlstärke
Grafik 132
: Referenz-System f
Beschreibung
5.5.1.1 Die Kugel v
5.5.1.2 Als Spektrometer 
5.5.1.3 Die Detektoren

5.5.1.4
Der zulässige Falschlichtanteil
5.5.1.5
Die Kopplung
Hier die Illustration der Beispielrechnung eines Strahlstärke-Messaufbaus nach Grafik 132:
Grafik 133A - Strahlstärke und Beleuchtungsstärke in der Kugel
Grafik 133A und Erläuterungen
:
Grafik 133B - Signale eines Strahlstärke-Systems
Grafik 133B
: Signale eines Strahlstärke-Meßsystems.
5.5.1.5 Daten-Erfassung,-Interpretation und –Verarbeitung, am Beispiel der Strahlstärkemessung
Grafik 134 - Strahlstärkemess-Signale 
Grafik 134
: die wichtigsten Funktionen des Referenz-Systems
5.5.2 Messung der spektralen Beleuchtungsstärke E und Strahldichte / Radianz L

Grafik 135 - System zur Messung mit externen Quellen
Grafik 135: Spektrometer mit direkt angeschlossener Kugel.
5.5.2.2 Definition einer Kugel für die Messung mit definiertem W / Steradianten
Grafik 136 - Signale mit 1-kW-Lampe extern vor Kugel
Grafik 136 zeigt eine 1-kW-QTH-Lampe in Verbindung mit dem in Grafik 135 gezeigten System, mit 15-cm-Kugel für die Messung von E und L, gezeigt für
W = 0,0004-Beleuchtung.
5.5.2.4 Parallel detektierende Spektrometer
5.5.3 Radiometrische Probenbeleuchtung
5.5.3.1 Grundlagen:
5.5.3.2 Anforderungen, abhängig von der Aufgabenstellung

5.5.3.2.1 Bandbreite: die spektrale Bandbreite
5.5.3.2.2 Bandbreite: die Homogenität der Wellenlänge über die Bandbreite
5.5.3.2.3 Wellenlänge (bzw. Wellenzahl, Photonenenergie, Frequenz): Genauigkeit der Wellenlänge
5.5.3.2.4 Wellenlängenbereich: der nutzbare Wellenlängenbereich
5.5.3.2.5 Beleuchtete Fläche – Größe und Form
5.5.3.2.6 Beleuchtungsstärke E auf der beleuchteten Fläche

5.5.3.2.7 Homogenität der Beleuchtungsstärke E über die beleuchtete Fläche
5.5.3.2.8 Toleranz des Experiments gegen Streulicht – max. zulässiges Falschlicht
5.5.3.2.9 Polarisation
Grafik 137 - kalibratiertes Beleuchtungssystem
Grafik 137: Weitbereichs-Beleuchtungssystem mit Wellenlängen. und Strahlstärke-Referenzbildung und zwei unterschiedlichen Homogenisatoren.
5.5.3.3 Spektrale Beleuchtung mit Referenzbildung zur Strahlstärkekalibrierung, detaillierte Beschreibung der Grafik 137
5.5.3.4 Kalibrierstellen und Gültigkeit von Kalibrierungen.
5.5.3.5 Zwei Beispiele (kopiert von der Seite "Beispiele aus Radiometrie und Beleuchtung).
A) Radiometrische Messung

Lampen-Teststation zur radiometrischen Kalibrierung und Vergleich von Lampen.
Bild 138 Beispielsystem zur Radiometrie mit U-Kugel
Bild 138 zeigt den Beleuchtungsteil des Systems.
B) Radiometrische Beleuchtung 
Variable Lichtquelle für die homogene spektrale Beleuchtung mit Referenzkanal, für 190…2800 nm, basierend auf einem subtraktiven Doppelmonochromator.

Bild 139 Radiometrisches Beleuchtungssystem komplett
Bild 139
zeigt die beiden unabhängigen Lichtquellen (450 W Xenon für 180 bis 1200 nm und 500 W Halogen für 320 bis 2800 nm) im je einem schwarzen Gehäuse rechts und hinten, dazwischen eins der Netzteile.
Bild 140 Ausgang des radiometrischen Beleuchtungssystems
Bild 140
zeigt im Detail die 10 x 10 mm große homogen beleuchtete Fläche am Frontausgang, die motorisierten Spaltsysteme und den Referenzdetektor.
5.6 Ende der Grundlagen-Seite 5 "Beleuchtung"

Die Ausführungen zur Beleuchtung mit Lichtquellen, Strahlführung, Lichtleitern und Spektralradiometrie sind hiermit beendet.
Ebenfalls beendet sind die Grundlagen der optischen Spektroskopie mit modularen, flexiblen Systemen.
In Kapitel 6 folgen Hinweise zu Grenzparametern und Anforderungen ausgewählter Anwendungen an das Spektroskopiesystem.

Der Grundlagenteil besteht aus
1.  Gitter- und Prisma-Grundlagen
2.  Spektrometer-Grundlagen
3.  Spektrometer-Konfigurationen
4.  Detektoren für Monochromatoren und Spektrographen
5.  Kopplung, Beleuchtung und Lichttransport, Lichtquellen, Radiometrie
6.  Einige Anwendungen und ihre System-Anforderungen
7.  Sammlung der verwendeten Kurzzeichen und Symbole, der Gleichungen und Formeln, der Energie-Umrechnungen. Hier ist auch das Inhaltsverzeichnis der Grundlagenseiten 1-6.

Danke für den Besuch, wir hoffen er war hilfreich. Bitte besuchen sie spectra-magic.de wieder.

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: Februar 2012, komplett.