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

Grundlagen 3: Konfigurationen von Monochromatoren und Spektrographen

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.

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Diese Seite beschäftigt sich mit den realen Konfigurationen von Monochromatoren und Spektrographen.

Sie beinhaltet 4 Kapitel:
1) Spektrometer Konfigurationen von Einzel- und Mehrstufengeräten,
2) Echelle-Spektrometer,
3) Prinzipielle Prismenspektrometer,
4) Prinzipielle Transmissionsspektrometer,

Das Kapitel KONFIGURATIONEN basiert auf den Informationen und Formeln der Kapitel 1: Gitter-Grundlagen und Kapitel 2: Spektrometer-Konzepte und setzt deren Inhalt als bekannt voraus. Das Konfigurations-Kapitel beschäftigt sich mit den in der modularen und flexibel einsetzbaren Technik in Frage kommenden Aufbauten und deren Peripherie.

3.1.0 Versionen des Strahlengangs in flexibel einsetzbaren Spektrometern
3.1.1 Der Strahlengang in Ebert-Fastie- oder Czerny-Turner-Spektrometern

Die Skizze zeigt den typischen Verlauf der Lichtstrahlen in einem klassischen Spektrometer:
Grafik 51 CT Gitter dreht zum Eingang

Grafik 51: Czerny-Turner, Gitter dreht zum Eingang hin. Bei einem Ebert-Fastie gelten ähnliche Verhältnisse.

Grafik 52 CT Gitter dreht zum Ausgang
Grafik 52: Czerny-Turner, Gitter dreht zum Ausgang hin. Bei einem Ebert-Fastie gelten ähnliche Verhältnisse.

3.1.2 Strahlengang in einem annähernd symmetrischen Spektrometer
Grafik 53 CT Ausleuchtung des Ausgangs
Grafik 53 zeigt, dass das Ausgangsfeld nur in einem begrenzten Bereich vom Ausgangsspiegels optimal ausgeleuchtet wird.

Grafik 54 Signalverteilung im Ausgangsfeld

Grafik 54: Typische Intensitätsverteilung über die Breite des Ausgangsfeldes.
3.1.3 Variationen der Grundkonzepte Ebert-Fastie und Czerny-Turner und Mehrfach-Gitterhalter gegen Einzelgitter
3.1.3.1 die Frontanschlüsse werden schräg angesetzt, wie in Grafik 55 gezeigt.

Grafik 55 schräg aufgebauter CT

Grafik 55: Genereller Strahlengang im schrägen Czerny-Turner-Spektrometer auch W-Konfiguration genannt.
3.1.3.2 Einzelgitter-Konfiguration.
3.1.3.3 Dreifachgitter-Konfiguration, Version mit Drehung in der Tischmitte
3.1.3.4 Dreifachgitter-Konfiguration, Version mit Drehung in der Gitter-Frontfläche

 Grafik 56 schräger CT mit 3 Gitterstellungen
Grafik 56: Schräges Czerny-Turner-Spektrometer mit 3-Gitter-Tisch in der Gitterebene drehend.
3.1.3.5 Zwei- und Vierfachgitter-Konfiguration
3.1.3.6 Gekreuzte Strahlen innerhalb des Spektrometers, f
Grafik 57 gekreuzter Ebert-Fastie
Grafik 57: Gekreuzter Ebert-Fastie.
3.1.4 Die Ausgangs-Wellenlänge als Funktion der Position der Lichtquelle
Weitere, wichtige Parameter für Flächendetektoren:
 
3.1.5 Die Ausgangs-Dispersion als Funktion der lateralen Position im Ausgangsfeld

 Grafik 58 - Dispersionsverlauf im Spektrographenausgang
Grafik 58 zeigt vier typische Kurven,


3.1.6 Die Dispersion und Fidelity über die Feldfläche werden auch vom Detektor-Kipp-Winkel beeinflusst
 

 Grafik 59 Bild- und Spektrum-Wiedergabe und Detektor- Kippwinkel
Grafik 59 zeigt typische Signalformen.
3.1.7 Die Vergrößerung des Strahls in optischen Systemen wechselnder Fokuslänge oder Apertur

 Grafik 60 M-Faktor-Vergrößerung
Grafik 60: der M-Faktor

3.2.0 Mehrstufige Spektrometer
3.2.1 Grundlegende Betrachtungen zu Doppelspektrometern
3.2.1.1 Additive Bauart
 

Grafik 61 Prinzip des additiven Doppelspektrometers
Grafik 61: Prinzipieller Strahlengang eines klassischen Czerny-Turner Doppelspektrometers für additiven Betrieb.
3.2.1.2 Subtraktive Bauart
 Grafik 62 Prinzip des subtraktiven Doppelspektrometers
Grafik 62: Prinzipeller Strahlengang eines klassischen Czerny-Turner Doppelspektrometers für subtraktiven Betrieb.

3.2.2 Moderne additive Doppelspektrometer (
Grafik 63 flexibles Mehrfach-Gitter  Doppelspektrometers
Grafik 63:
Flexibles Czerny-Turner Doppelspektrometer mit Dreifachgittertisch.

3.2.3 Subtraktive Doppelspektrometer
3.2.3.1 Das klassische Czerny-Turner-Doppelspektrometer mit fester Gitterkopplung

 Grafik 64 klassiches CT Doppelspektrometers
Grafik 64, das klassische Doppelspektrometer mit mechanischer Gitterkopplung.
3.2.3.2 Mehrgitter-Doppelspektrometer
:Grafik 65 asymmetrisches subtraktives Doppelspektrometers
Grafik 65: Asymmetrisches, subtraktives Doppelspektrometer.

 

 Grafik 67 effizentes, flexibles Dreifach-Spektrometer
Grafik 67: Dreistufiges Spektrometer für addiven, subtraktiven, einstufigen, zwei- und dreistufigen Betrieb.

3.3.0 Prismen-Spektrometer
Prismen-Spektrometer
Grafik 69 zeigt den Strahlengang in einem typischen Prismen-Reflexions-Spektrometer.
 

 F9:F9 Ablenkung am drehenden Prisma

F9A:  dd = d (l2) - d (l1)  
Gleichung F10: die örtliche Dispersion 
RD
 =  1 /
[f * (sin dd / dl)] dl / (f * sin dd)

Dispersionsverhalten div Prismenmaterialien
Grafik 70 stellt den prinzipielle Dispersions-Verlauf von vier Materialen dar.
3.4.0 Transmissions-Spektrometer
Prinzipielles Transmissions-Spektrometer
Grafik 71 zeigt einen vereinfachten, aber realistischen, Transmissions-Spektrographen.
3.5.0 Echelle-Spektrometer
3.5.1 Echelle-Monochromatoren und eindimensionale Spektrographen

Funtion div. Disperser
Grafik 72: Dispersionsverläufe, auf 1 m Fokuslänge normiert für hochauflösende Messungen in logarithmischer Darstellung.

3.5.2 Aufbau eines hochauflösenden Echelle-Spektrometers zum Betrieb als Monochromator und eindimensionaler Spektrograph
Scanning Echelle Spectroemter
Grafik 73: Flexibel einsetzbares Spektrometer für weite Wellenlängenbereiche.
3.5.3 Zweidimensionale Echelle-Spektrometer zum parallelen Erfassen weiter Wellenlängenbereiche bei gleichzeitig hoher Auflösung
nm-Intervall und Redundanz auf dem 2D-CCD
GRAFIK 74. Verlauf des spektralen Intervalls auf dem CCD und der Überlappung.
Vertikale Ordnungsposition am 2D-CCD und Reserve
GRAFIK 75 Vertikale Prismenablenkung und Abbildungs-Reserve.
EF 2D Echelle-Sepktrometer
Grafik 76 zeigt ein klassisches Ebert-Fastie-Spektrometer mit 2D-Funktion mit unterschiedlicher Apertur.
Kompaktes, gefaltetes 2D-Echelle-SpektometerT
Grafik 77 zeigt ein gefaltetes, symmetrisches 2D-Echelle-Spektrometer.
Erläuterung:
Vergleich Ebert-Fastie mit gefaltetem Czerny-Turner
 

Wellenlänge

Gitterordnung

Intervall pro Ordnung

Vertikale Position am CCD

Pixel-Reserve/ Ordnung

Abweichung von der Ebene

Bandbreite pro Pixel

nm

 

nm

mm

 

Grad

pm

1000

52

18,4

-12,4

 

 

 

950

55

17,7

-12,15

6

-0,5

8,6426

900

58

16,5

-11,93

6

-0,6

8,0566

850

61

15,7

-11,7

5

-0,6

7,6660

800

65

14,7

-11,5

3

-0,6

7,1777

750

70

13,8

-11,33

3

-0,7

6,7383

700

74

12,9

-11,13

3

-0,7

6,2988

650

80

12,0

-10,9

4

-0,8

5,8594

600

87

11,0

-10,52

4

-0,9

5,3711

550

95

10,1

-10,17

4

-0,9

4,9316

500

104

9,2

-9,6

5

-1,0

4,4922

460

113

8,5

-9,1

4

-1,2

4,1504

420

124

7,7

-8,52

6

-1,3

3,7598

380

137

7,0

-7,3

7

-1,5

3,4180

340

153

6,3

-5,85

7

-1,8

3,0762

315

166

5,8

-4,5

7

-2,0

2,8320

290

180

5,3

-3,25

8

-2,3

2,5879

265

197

4,9

-1,18

10

-2,9

2,3926

240

217

4,4

1,7

13

-3,4

2,1484

215

243

4,0

6,7

17

-4,4

1,9531

195

267

3,6

12,81

21

-5,9

1,7578

Erläuterung zur 2D-Echelle-Kenndaten-Tabelle:
Prisma-Orientierung und CCD-Streifen
Grafik 78:Simplifizierter Strahlengang am Prisma und die Auswirkung auf dem Detektor.
Konstruktive Maßnahmen.
 

Ende der Konfigurations-Seite.

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.