WO2005066595A1 - Dual monochromator - Google Patents

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WO2005066595A1
WO2005066595A1 PCT/EP2004/014869 EP2004014869W WO2005066595A1 WO 2005066595 A1 WO2005066595 A1 WO 2005066595A1 EP 2004014869 W EP2004014869 W EP 2004014869W WO 2005066595 A1 WO2005066595 A1 WO 2005066595A1
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WO
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Prior art keywords
monochromator
grating
operating mode
rotation
grating elements
Prior art date
Application number
PCT/EP2004/014869
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Reinhold SCHÄFER
Original Assignee
S & I Spectroscopy & Imaging Gmbh
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by S & I Spectroscopy & Imaging Gmbh filed Critical S & I Spectroscopy & Imaging Gmbh
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Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J3/00—Spectrometry; Spectrophotometry; Monochromators; Measuring colours
    • G01J3/12—Generating the spectrum; Monochromators
    • G01J3/18—Generating the spectrum; Monochromators using diffraction elements, e.g. grating

Definitions

  • the present invention relates to a double monochromator for spectrally decomposing light, which comprises a first monochromator which has a first grating element which can be rotated at least about an axis of rotation which is essentially perpendicular to a reflection plane of the light, and a second monochromator which has a second grating element which can be rotated at least about an axis of rotation extending essentially perpendicular to a reflection plane of the light, the monochromators being mountable in such a way that the double monochromator can be operated in a basic operating mode of additive dispersion or in a basic operating mode of subtractive dispersion.
  • the reflection planes are determined by the directions of propagation of the light impinging on and reflecting from the corresponding grating element.
  • Double monochromators are known from the prior art for a variety of different purposes, such as Raman spectroscopy. It is also already known to operate generic double monochromators in a basic operating mode of the so-called additive dispersion or in a basic operating mode of the so-called subtractive dispersion and the double monochromator depending on the field of application with the aid of suitable optically functional elements (for example mirror and / or lens arrangements) in the other Switch operating mode.
  • suitable optically functional elements for example mirror and / or lens arrangements
  • the grating elements of both monochromators are operated simultaneously in positive or negative diffraction orders, whereas in the mode of subtractive dispersion one of the grating elements is operated in positive
  • the object of the present invention is to provide a double monochromator of the type mentioned at the outset, in which the switchover from the basic operating mode of additive or subtractive dispersion to the other operating mode can take place without using additional optical elements such as mirrors or lenses.
  • the double monochromator has switching means which are suitable for switching the double monochromator by rotating one of the grating elements from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion or from the Switch the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion.
  • the switchover from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion or from the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion takes place according to the invention only by the corresponding rotation of one of the grating elements arranged in the first or second monochromator.
  • the rotation of the first or second grating element takes place both for switching over and for operating the double monochromator about axes of rotation which are essentially perpendicular to a plane of reflection of the light.
  • the use of the switching means according to the invention can therefore dispense with the use of additional optically functional elements, such as lenses or mirrors, which are arranged between the first monochromator and the second monochromator.
  • the switching means are designed such that they are used to switch the double monochromator from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion by rotating one of the grating elements in the In this way, one of the grating elements can be operated in positive diffraction orders and the other grating element can be operated in negative diffraction orders. It is therefore sufficient to correspondingly rotate one of the grating elements with the aid of the switching means in order to switch the double monochromator into the operating mode of the subtractive dispersion.
  • the first or second grating element can be rotated accordingly so that the first or second grating element is operated in negative diffraction orders.
  • the second monochromator effectively suppresses the background, so that the overall signal-background ratio improves. If the double monochromator is switched from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion, the double monochromator can be used as a bandpass filter.
  • the switching means be designed such that they cause the rotation of one of the grating elements in such a way that both grating elements can be operated for light of a certain wavelength in mutually complementary diffraction orders.
  • the switching means in a particularly preferred embodiment can be designed such that they cause the rotation of one of the grating elements in such a way that both grating elements are relative to their starting positions, in which each of the grating elements reflects light in the zero order of diffraction , are rotated by identical angles of rotation in opposite directions of rotation.
  • the switching means are designed such that they are used to switch the double monochromator from the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion by rotating one of the grating elements in the In this way, both grating elements can be operated in positive diffraction orders or in negative diffraction orders. To switch over, the first grid element or the second grid element can be rotated.
  • the double monochromator If the double monochromator is operated in the basic operating mode of subtractive dispersion, it can be used as a bandpass filter and also for time-resolved spectroscopy, since the time differences of light of different wavelengths that arise in the first monochromator are canceled out in the second monochromator.
  • the resolution of the double monochromator can be increased by switching to the operating mode of the additive dispersion.
  • At least one of the grating elements is designed as a holographic grating element. Both grating elements are preferably designed as holographic grating elements.
  • the at least one holographic grating element has an essentially sinusoidal profile.
  • This embodiment has the advantage that essentially the same efficiency can be achieved in the operating mode of the additive dispersion and in the operating mode of the subtractive dispersion.
  • At least one of the grating elements can also be designed as a scored grating element. Due to the roughly sawtooth-like profiling of the scored grating element, efficiency losses occur for reasons of symmetry, however, if the double monochromator from its basic operating mode of the additive or subtractive dispersion is switched to the other operating mode.
  • the double monochromator has means for rotating at least one of the grating elements by 180 ° about an axis of rotation that is essentially parallel to the grating normal of the grating element to turn.
  • one of the grating elements is first rotated about its axis of rotation into the corresponding diffraction order. This grid element is then rotated further by 180 ° about the axis of rotation which runs essentially parallel to the grid normal of the grid element.
  • the first monochromator has an exit gap. This exit slit of the first monochromator has the effect that light with a wavelength which is reflected by the first grating element in a diffraction order other than the desired diffraction pattern is masked out before entering the second monochromator.
  • the second monochromator has an outlet gap.
  • This exit slit of the second monochromator has the effect that light having a wavelength which is reflected by the second grating element in a diffraction order other than the desired diffraction pattern is masked out before it leaves the second monochromator.
  • the exit gap of the second monochromator only enters narrow, almost monochromatic wavelength interval around the wavelength ⁇ .
  • a conventional photomultiplier is arranged behind the exit slit of the second monochromator, photons of the relevant wavelength can be counted in the so-called single-channel mode. Due to the simultaneous rotation of both grating elements, the wavelength ⁇ , for which the double monochromator is permeable in a specific diffraction order, can be varied continuously, so that the intensities I ( ⁇ ) in the so-called single-channel mode for each wavelength ⁇ with the help of the photomultiplier in time be measured.
  • a relatively broad wavelength spectrum reaches a detector arranged behind the exit slit.
  • This can be, for example, a CCD detector which has an array of a large number of small photodiodes, so that a wide wavelength spectrum can be measured simultaneously without the grating elements having to be moved.
  • the double monochromator has at least two stepper motors, each of which is assigned to one of the grating elements.
  • the stepper motors are preferably connected to the switching means.
  • the present invention thus provides a double monochromator which can be switched from a basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion or from a basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion without using additional optical elements.
  • Figure 1 is a schematic representation of a double monochromator according to the invention in a first mount for operating the double monochromator in a basic operating mode of the additive dispersion.
  • Fig. 2 is a schematic representation of the double monochromator in a second mount for operating the double monochromator in a basic operating mode of the subtractive dispersion.
  • FIG. 1 schematically shows a double monochromator 1 according to the invention in a first mount for operating the double monochromator in a basic operating mode of the additive dispersion.
  • the double monochromator 1 can be used for the spectral decomposition of light, for example in Raman spectroscopy or in fluorescence measurements.
  • the double monochromator comprises a first monochromator 10 and a second monochromator 11, the optically functional elements of which are each arranged in a light-tight housing.
  • the structure of the two monochromators 10, 1 1, which is described below, is essentially identical.
  • the double monochromator 1 During operation of the double monochromator 1, light from a light source or a specimen to be examined spectroscopically is imaged onto an entry slit 3 of the first monochromator 10 with the aid of imaging means which are not explicitly shown here.
  • the first monochromator 10 On a side opposite the entry gap 3, the first monochromator 10 has two mirrors 40a, 40b which are concavely shaped at least in sections.
  • the first concave mirror 40a directs the light coming from the entrance slit 3 as a parallel light beam onto a first grating element 20.
  • the first grating element 20 can be rotated about an axis of rotation oriented essentially perpendicular to a reflection plane of the light.
  • the plane of reflection of the light is spanned by the directions of propagation of the light incident on the grating element 20 and reflected by it.
  • the first grating element 20 is preferably a holographic grating element with an at least partially substantially sinusoidal profiling, so that the double monochromator 1, as will be explained later, can be operated with comparable efficiency both in a general operating mode of the additive dispersion and in an operating mode of the subtractive dispersion can.
  • a holographic grating element with an approximately sinusoidal profile instead of a holographic grating element with an approximately sinusoidal profile, alternatively a scored grating element with an essentially sawtooth-like profile or a so-called holographic blaze grating element can also be used.
  • these have the disadvantage that the efficiency is different in the two operating modes of the additive or subtractive dispersion and that the switching of the double monochromator 1 between these two operating modes is more complicated.
  • the second concave mirror 40b is arranged behind the first grating element 20, which mirror is from the first Grating element 20 reflected light bundles focused on the exit slit 6 of the first monochromator 10 via a first flat mirror 50.
  • the light subsequently enters the second monochromator 1 1 and there first strikes a second flat mirror 51, from which it is reflected in the further beam path onto a third mirror 41 a which is concavely shaped in sections.
  • the light is directed from the third concave mirror 41 a onto a second grating element 21.
  • the second grating element 21, which is arranged in the second monochromator 11, can likewise be rotated about an axis of rotation which runs essentially perpendicular to a reflection plane of the light and is preferably likewise designed as a holographic grating element with an essentially sinusoidal profile.
  • the second lattice element, like the first lattice element, can also be designed as a scored grating element.
  • a fourth at least sectionally concave mirror 41 b is arranged behind the second grating element 21 and focuses the light onto an exit slit 7 of the second monochromator 11. Only a relatively narrow, almost monochromatic wavelength interval around a wavelength ⁇ then passes through the exit gap 7 of the second monochromator.
  • the first grating element 20 and the second grating element 21 can be rotated about their axes of rotation synchronously, preferably with the aid of computer-controlled stepper motors assigned to the grating elements 20, 21.
  • H inter the exit gap 7 is usually arranged during operation of the double monochromator 1 in the so-called single-channel mode, a photomultiplier that counts the photons that leave the double monochromator through the exit gap 7. If the exit gap 6 of the first monochromator 10 is set to a larger width and the exit gap 7 of the second monochromator 11 is removed, the double monochromator 1 can also be operated with a CCD array or the like in a so-called multi-channel mode. Without the grating elements 20, 21 having to be rotated synchronously during operation, a broad wavelength spectrum of the light can be measured simultaneously.
  • the second grating element 21 is rotated by an angle of rotation ⁇ 2 from its starting position.
  • CH ⁇ 2 .
  • relatively high resolutions can be achieved.
  • switching means which are not explicitly shown are provided according to the invention, which in this exemplary embodiment rotate the second grating element 21 until the second grating element 21 in one first grating element 20 complementary diffraction order is operated.
  • the double monochromator 2 can be used, for example, as a bandpass filter for monochromatic lighting purposes or as a pre-splitter for a “triple” Raman spectrometer.
  • I n Fig. 2 shows the beam path of the double monochromator 1 in a mount for operating the double monochromator 1 in a basic operating mode of the subtractive dispersion.
  • the double monochromator 1 can be used as a bandpass filter in the basic operating mode of the subtractive dispersion and, moreover, also for time-resolved spectroscopy, since the transit time differences of light of different wavelengths ⁇ arise in the first monochromator 10, are canceled again in the second monochromator 1 1.
  • the first monochromator 10 in this exemplary embodiment is rotated by 180 ° with respect to the second monochromator 11 in order to operate the double monochromator 1 in the basic operating mode of the subtractive dispersion.
  • the grating elements 20, 21 are operated in mutually complementary diffraction orders.
  • the first grating element 20 in the basic operating mode of the subtractive dispersion by an angle of rotation CH from a starting position represented by a dashed line, which defines the 0 ° position of the first grating element in which the first Grating element 20 acts like a conventional mirror and reflects light in the zero diffraction order, is rotated.
  • the second grating element 21 is rotated from its starting position by an angle of rotation ct 2 .
  • the directions of rotation of both grid elements 20, 21 are identical.
  • CH ⁇ 2 .
  • both grating elements are rotated by identical angular amounts from their starting positions.
  • the switchover from the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion takes place in this exemplary embodiment again with the aid of the switchover means which are not explicitly shown.
  • the second grating element 21 of the second monochromator 11 is rotated until it reaches the position designated by the reference symbol 21 'until it is also operated in the diffraction order of the first grating element 20.
  • the switching means rotate the second grating element 21 by the amount of the angle of rotation ⁇ i of the first grating element 20 in the exactly opposite direction of rotation to the position provided with the reference symbol 21 '.
  • ⁇ 2 ' - ⁇ i, the minus sign symbolizing the different directions of rotation. It is of course also possible to rotate the first grating element 20 until it is operated in the diffraction order of the second grating element 21.
  • holographic grating elements with an essentially sinusoidal profile in order to again achieve comparable efficiency in both operating modes. It is in principle, it is also possible to use scratched grating elements or holographic blaze grating elements. However, these must also be rotated by 180 ° around an axis that runs essentially parallel to the grid normal so that the efficiency losses can be compensated for.
  • the double monochromator 1 switches between the two operating modes in that one of the grating elements 20, 21 rotates with the aid of the switching means and is operated accordingly in a different diffraction order.

Abstract

The invention relates to a dual monochromator (1) for the spectral decomposition of light. Said dual monochromator comprises a first monochromator (10), having a first grating (20) that can be rotated about at least one rotational axis that is substantially perpendicular to the plane of reflection of the light. A second monochromator (11) has a second grating (21) that can be rotated about at least one rotational axis that is substantially perpendicular to the plane of reflection of the light. The monochromators (10, 11) are mounted in such a way that the dual monochromator (1) can be operated in a basic operating mode of additive dispersion or in a basic operating mode of subtractive dispersion. The dual monochromator (1) is provided with switching means that are adapted to switch, by rotating one of the gratings (20, 21), the dual monochromator (1) from the basic operating mode of additive dispersion to the basic operating mode of subtractive dispersion or from the basic operating mode of subtractive dispersion to the basic operating mode of additive dispersion.

Description

"Doppelmonochromator" "Double monochromator"
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Doppelmonochromator zur spektralen Zerlegung von Licht, der einen ersten Monochromator, der ein erstes Gitterelement aufweist, das mindestens um eine im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts verlaufende Drehachse drehbar ist, und einen zweiten Monochromator umfasst, der ein zweites Gitterelement aufweist, das mindestens um eine im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts verlaufende Drehachse drehbar ist, wobei die Monochromatoren so montierbar sind , dass der Doppelmonochromator in einer Grundbetriebsart der additiven Dispersion oder in einer Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion betreibbar ist. Die Reflexionsebenen werden dabei durch die Ausbreitungsrichtungen des auf das entsprechende Gitterelement auftreffenden und von d iesem reflektierten Lichts festgelegt.The present invention relates to a double monochromator for spectrally decomposing light, which comprises a first monochromator which has a first grating element which can be rotated at least about an axis of rotation which is essentially perpendicular to a reflection plane of the light, and a second monochromator which has a second grating element which can be rotated at least about an axis of rotation extending essentially perpendicular to a reflection plane of the light, the monochromators being mountable in such a way that the double monochromator can be operated in a basic operating mode of additive dispersion or in a basic operating mode of subtractive dispersion. The reflection planes are determined by the directions of propagation of the light impinging on and reflecting from the corresponding grating element.
Doppelmonochromatoren sind aus dem Stand der Technik für eine Vielzah l unterschiedlicher Anwendungszwecke wie zum Beispiel die Raman-Spektroskopie bekannt. Es ist auch bereits bekannt, gattungsgemäße Doppelmonochromatoren in einer Grundbetriebsart der sogenannten additiven Dispersion oder in einer Grundbetriebsart der sogenannten subtraktiven Dispersion zu betreiben und den Doppelmonochromator abhängig vom Anwendungsgebiet mit Hilfe geeigneter optisch funktionaler Elemente (beispielsweise Spiegel- und/oder Linsenanordnungen) in die jeweils andere Betriebart umzuschalten.Double monochromators are known from the prior art for a variety of different purposes, such as Raman spectroscopy. It is also already known to operate generic double monochromators in a basic operating mode of the so-called additive dispersion or in a basic operating mode of the so-called subtractive dispersion and the double monochromator depending on the field of application with the aid of suitable optically functional elements (for example mirror and / or lens arrangements) in the other Switch operating mode.
In der Betriebsart der additiven Dispersion werden die Gitterelemente beider Monochromatoren gleichzeitig in positiven oder negativen Beugungsordnungen betrieben, wohingegen in der Betriebsart der subtraktiven Dispersion eines der Gitterelemente in positivenIn the mode of additive dispersion, the grating elements of both monochromators are operated simultaneously in positive or negative diffraction orders, whereas in the mode of subtractive dispersion one of the grating elements is operated in positive
BESTATIGUNGSKOPIE Beugungsordnungen und das andere Gitterelement in negativen Beugungsordnungen betrieben wird. Da während des Betriebs der vorbekannten Doppelmonochromatoren häufig beide Gitterelemente simultan um eine gemeinsame Drehachse gedreht werden , müssen die bereits erwähnten zusätzlichen optisch funktionalen Elemente eingesetzt werden, um die Umschaltung zwischen beiden Betriebsarten zu bewirken. Bei diesen optisch funktionalen Elementen handelt es sich im Allgemeinen um Spiegel- und/oder Linsenanordnungen , die bei Bedarf zwischen einem Ausgang des ersten Monochromators und einem Eingang des zweiten Monochromators angeordnet werden . Die Verwendung dieser zusätzlichen optisch funktionalen Elemente hat sich in der Praxis jedoch als nachteilig erwiesen, da der Montage- und Justageaufwand vergrößert wird .BESTATIGUNGSKOPIE Diffraction orders and the other grating element is operated in negative diffraction orders. Since both grating elements are frequently rotated simultaneously about a common axis of rotation during operation of the known double monochromators, the additional optically functional elements already mentioned must be used in order to switch between the two operating modes. These optically functional elements are generally mirror and / or lens arrangements which, if necessary, are arranged between an output of the first monochromator and an input of the second monochromator. In practice, however, the use of these additional optically functional elements has proven to be disadvantageous since the assembly and adjustment effort is increased.
Hier setzt die vorliegende Erfindung an.This is where the present invention comes in.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Doppelmonochromator der eingangs genannten Gattung zur Verfügung zu stellen, bei dem die Umschaltung aus der Grundbetriebsart der additiven bezieh ungsweise substraktiven Dispersion in die jeweils andere Betriebsart ohne Verwendung zusätzlicher optischer Elemente wie zum Beispiel Spiegel oder Linsen erfolgen kann .The object of the present invention is to provide a double monochromator of the type mentioned at the outset, in which the switchover from the basic operating mode of additive or subtractive dispersion to the other operating mode can take place without using additional optical elements such as mirrors or lenses.
Diese Aufgabe wird durch einen Doppelmonochromator der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen , dass der Doppelmonochromator Umschaltmittel aufweist, die geeignet sind, den Doppelmonochromator durch Drehung eines der Gitterelemente aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion beziehungsweise aus der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in d ie Betriebsart der additiven Dispersion umzuschalten.This object is achieved by a double monochromator of the type mentioned at the outset with the characterizing features of the main claim. It is proposed according to the invention that the double monochromator has switching means which are suitable for switching the double monochromator by rotating one of the grating elements from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion or from the Switch the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion.
Die Umschaltung aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion beziehungsweise aus der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in die Betriebsart der additiven Dispersion erfolgt erfindungsgemäß also nu r durch die entsprechende Drehung eines der im ersten beziehungsweise zweiten Monochromator angeordneten Gitterelemente. Die Drehung des ersten beziehungsweise zweiten Gitterelements erfolgt sowohl zum Umschalten als auch zum Betreiben des Doppelmonochromators um Drehachsen, die im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts verlaufen. Auf die Verwend ung zusätzlicher optisch funktionaler Elemente, wie beispielsweise Linsen oder Spiegel, die zwischen dem ersten Monochromator und dem zweiten Monochromator angeordnet sind , kann d urch d ie Verwendung der erfindungsgemäßen Umschaltmittel also verzichtet werden.The switchover from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion or from the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion takes place according to the invention only by the corresponding rotation of one of the grating elements arranged in the first or second monochromator. The rotation of the first or second grating element takes place both for switching over and for operating the double monochromator about axes of rotation which are essentially perpendicular to a plane of reflection of the light. The use of the switching means according to the invention can therefore dispense with the use of additional optically functional elements, such as lenses or mirrors, which are arranged between the first monochromator and the second monochromator.
Ist der Doppelmonochromator in der Grundbetriebsart der additiven Dispersion montiert, wird in einer bevorzugten Ausführungsform vorgeschlagen , dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie zum Umschalten des Doppelmonochromators aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion die Drehung eines der Gitterelemente in der Weise bewirken, dass eines der Gitterelemente in positiven Beugungsordnungen und das andere Gitterelement in negativen Beugungsordnungen betreibbar ist. Es reicht somit aus, eines der Gitterelemente entsprechend mit Hilfe der Umschaltmittel zu drehen, um den Doppelmonochromator in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion umzuschalten. Werden beispielsweise in der Grundbetriebart der additiven Dispersion beide Gitterelemente in positiven Beugungsordnungen betrieben, kann das erste oder zweite Gitterelement entsprechend gedreht werden, damit das erste oder zweite Gitterelement in negativen Beugungsordnungen betrieben wird . In der Grundbetriebsart der additiven Dispersion lassen sich relativ hohe Auflösungen erzielen. Ferner unterdrückt der zweite Monochromator wirkungsvoll den Untergrund , so dass sich insgesamt das Signal - Untergrund - Verhältnis verbessert. Wird der Doppelmonochromator aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion umgeschaltet, kann der Doppelmonochromator als Bandpass-Filter eingesetzt werden .If the double monochromator is mounted in the basic operating mode of the additive dispersion, it is proposed in a preferred embodiment that the switching means are designed such that they are used to switch the double monochromator from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion by rotating one of the grating elements in the In this way, one of the grating elements can be operated in positive diffraction orders and the other grating element can be operated in negative diffraction orders. It is therefore sufficient to correspondingly rotate one of the grating elements with the aid of the switching means in order to switch the double monochromator into the operating mode of the subtractive dispersion. For example, if both grating elements are operated in positive diffraction orders in the basic operating mode of the additive dispersion, the first or second grating element can be rotated accordingly so that the first or second grating element is operated in negative diffraction orders. In the basic operating mode of additive dispersion, relatively high resolutions can be achieved. Furthermore, the second monochromator effectively suppresses the background, so that the overall signal-background ratio improves. If the double monochromator is switched from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion, the double monochromator can be used as a bandpass filter.
I n einer besonders vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen , dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie die Drehung eines der Gitterelemente in der Weise bewirken , dass beide Gitterelemente für Licht einer bestimmten Wellenlänge in zueinander komplementären Beugungsordnungen betreibbar sind . Dabei können beispielsweise das erste Gitterelement in der Beugungsordnung K = 1 und das zweite Gitterelement in der Beugungsordnung K = -1 betrieben werden .In a particularly advantageous embodiment, it is proposed that the switching means be designed such that they cause the rotation of one of the grating elements in such a way that both grating elements can be operated for light of a certain wavelength in mutually complementary diffraction orders. For example, the first grating element in the diffraction order K = 1 and the second grating element in the diffraction order K = -1 can be operated.
Um das Umschalten des Doppelmonochromators zu vereinfachen, können die Umschaltmittel in einer besonders bevorzugten Ausführungsform so ausgebildet sein , dass sie die Drehung eines der Gitterelemente in der Weise bewirken, dass beide Gitterelemente relativ zu ihren Ausgangspositionen , in denen jedes der Gitterelemente Licht in nullter Beugungsordnung reflektiert, um identische Drehwinkel in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen gedreht sind . Sind vor dem Umschalten das erste Gitterelement des Doppelmonochromators um einen Drehwinkel αi und das zweite Gitterelement um einen Drehwinkel α2 = αi in einer identischen Drehrichtung aus ihren Ausgangspositionen gedreht, so ist nach dem Umschalten des Doppelmonochromators beispielsweise das zweite Gitterelement um einen Drehwinkel α2 = -c in eine, dem ersten Gitterelement entgegengesetzte Drehrichtung gedreht sein. Es ist dabei unerheblich, welches der Gitterelement gedreht wird und welches Gitterelement nunmehr in positiven und welches in negativen Beugungsordnungen betrieben werden kann.In order to simplify the switching of the double monochromator, the switching means in a particularly preferred embodiment can be designed such that they cause the rotation of one of the grating elements in such a way that both grating elements are relative to their starting positions, in which each of the grating elements reflects light in the zero order of diffraction , are rotated by identical angles of rotation in opposite directions of rotation. Before switching over, the first grating element of the double monochromator is at an angle of rotation αi and the second grating element is at an angle of rotation α 2 = αi in one Identical direction of rotation rotated from their starting positions, after switching the double monochromator, for example, the second grating element has been rotated by an angle of rotation α 2 = -c in a direction of rotation opposite to the first grating element. It is irrelevant which of the grating elements is rotated and which grating element can now be operated in positive and which in negative diffraction orders.
Ist der Doppelmonochromator in der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion montiert, wird in einer alternativen Ausführungsform vorgeschlagen, dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind, dass sie zum Umschalten des Doppelmonochromators aus der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in die Betriebsart der additiven Dispersion die Drehung eines der Gitterelemente in der Weise bewirken, dass beide Gitterelemente in positiven Beugungsordnungen oder in negativen Beugungsordnungen betreibbar sind . Zum Umschalten kann wiederum das erste Gitterelement oder das zweite Gitterelement gedreht werden.If the double monochromator is mounted in the basic operating mode of the subtractive dispersion, it is proposed in an alternative embodiment that the switching means are designed such that they are used to switch the double monochromator from the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion by rotating one of the grating elements in the In this way, both grating elements can be operated in positive diffraction orders or in negative diffraction orders. To switch over, the first grid element or the second grid element can be rotated.
Wird der Doppelmonochromator in der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion betrieben, kann er als Bandpassfilter und auch für zeitaufgelöste Spektroskopie eingesetzt werden , da die Laufzeitunterschiede des Lichts von verschiedenen Wellenlängen, die im ersten Monochromator entstehen , im zweiten Monochromator wieder aufgehoben werden. Durch das Umschalten in die Betriebsart der additiven Dispersion kann die Auflösung des Doppelmonochromators erhöht werden.If the double monochromator is operated in the basic operating mode of subtractive dispersion, it can be used as a bandpass filter and also for time-resolved spectroscopy, since the time differences of light of different wavelengths that arise in the first monochromator are canceled out in the second monochromator. The resolution of the double monochromator can be increased by switching to the operating mode of the additive dispersion.
Eine Weiterbildung sieht vor, dass d ie Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie die Drehung eines der Gitterelemente in der Weise bewirken, dass beide Gitterelemente für Licht einer bestimmten Wellenlänge in identischen Beugungsordnungen betreibbar sind. Beispielsweise können beide Gitterelemente dann in der Beugungsordnung K= 1 oder K=-1 betrieben werden.A further development provides that the switching means are designed such that they cause the rotation of one of the grating elements in such a way that both grating elements can be operated in identical diffraction orders for light of a certain wavelength. For example, both grating elements can then be operated in the diffraction order K = 1 or K = -1.
Um das Umschalten des Doppelmonochromators zu vereinfachen , können die Umschaltmittel so ausgebildet sein, dass sie die Drehung beider Gitterelemente in der Weise bewirken , dass beide Gitterelemente relativ zu ihren Ausgangspositionen, in denen jedes der Gitterelemente Licht in nullter Beugungsordnung reflektiert, um identische Drehwinkel in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen gedreht sind . Ist beispielsweise nach dem Umschalten das erste Gitterelement bezüglich seiner Ausgangsposition um einen Drehwinkel αi in eine bestimmte Drehrichtung gedreht, so ist das zweite Gitterelement entsprechend um den Drehwinkel α2 = -αi in die genau entgegengesetzte Drehrichtung gedreht.In order to simplify the switching of the double monochromator, the switching means can be designed in such a way that they cause the rotation of both grating elements in such a way that both grating elements relative to their starting positions, in which each of the grating elements reflects light in the zero diffraction order, by identical angles of rotation in one another opposite directions of rotation are rotated. If, for example, after the changeover, the first grating element is rotated in its particular position by an angle of rotation αi in a certain direction of rotation, the second grating element is accordingly rotated by the angle of rotation α 2 = -αi in the exactly opposite direction of rotation.
I n einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist mindestens eines der Gitterelemente als holographisches Gitterelement ausgebildet. Vorzugsweise sind beide Gitterelemente als holographische Gitterelemente ausgebildet.In a particularly preferred embodiment, at least one of the grating elements is designed as a holographic grating element. Both grating elements are preferably designed as holographic grating elements.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist das mindestens eine holographische Gitterelement eine im Wesentlichen sinusförmige Profilierung auf. Diese Ausführungsform hat den Vorteil, dass in der Betriebsart der additiven Dispersion und in der Betriebsart der subtraktiven Dispersion im Wesentlichen die gleiche Effizienz erzielt werden kann .In a particularly advantageous embodiment, the at least one holographic grating element has an essentially sinusoidal profile. This embodiment has the advantage that essentially the same efficiency can be achieved in the operating mode of the additive dispersion and in the operating mode of the subtractive dispersion.
Alternativ kann auch mindestens eines der Gitterelemente als geritztes Strichgitterelement ausgebildet sein. Aufgrund der etwa sägezahnartigen Profilierung des geritzten Strichgitterelements treten dann aus Symmetriegründen allerdings Effizienzverluste auf, wenn der Doppelmonochromator aus seiner Grundbetriebart der additiven beziehungsweise subtraktiven Dispersion in die jeweils andere Betriebsart umgeschaltet wird .Alternatively, at least one of the grating elements can also be designed as a scored grating element. Due to the roughly sawtooth-like profiling of the scored grating element, efficiency losses occur for reasons of symmetry, however, if the double monochromator from its basic operating mode of the additive or subtractive dispersion is switched to the other operating mode.
Um die Effizienz des Doppelmonochromators, insbesondere bei der Verwendung mindestens eines geritzten Strichgitterelements zu verbessern , wird in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform vorgeschlagen, dass der Doppelmonochromator Mittel aufweist, um mindestens eines der Gitterelemente um 180° um eine im Wesentlichen parallel zur Gitternormalen des Gitterelements verlaufende Drehachse zu drehen. Dabei wird zum Umschalten des Doppelmonochromators aus der Grundbetriebsart der additiven beziehungsweise subtraktiven Dispersion in die jeweils andere Betriebart zunächst eines der Gitterelemente um seine Drehachse in die entsprechende Beugungsordnung gedreht. Anschließend erfolgt eine weitere Drehung dieses Gitterelements um 180° um die im Wesentlichen parallel zur Gitternormalen des Gitterelements verlaufende Drehachse.In order to improve the efficiency of the double monochromator, in particular when using at least one scored grating element, it is proposed in a particularly advantageous embodiment that the double monochromator has means for rotating at least one of the grating elements by 180 ° about an axis of rotation that is essentially parallel to the grating normal of the grating element to turn. To switch the double monochromator from the basic operating mode of the additive or subtractive dispersion to the other operating mode, one of the grating elements is first rotated about its axis of rotation into the corresponding diffraction order. This grid element is then rotated further by 180 ° about the axis of rotation which runs essentially parallel to the grid normal of the grid element.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform weist der erste Monochromator einen Austrittsspalt auf. Dieser Austrittsspalt des ersten Monochromators bewirkt, dass Licht mit einer Wellenlänge, die in einer anderen als der gewünschten Beugungsordnung vom ersten Gitterelement reflektiert wird , vor dem Eintritt in den zweiten Monochromator ausgeblendet wird .In a particularly preferred embodiment, the first monochromator has an exit gap. This exit slit of the first monochromator has the effect that light with a wavelength which is reflected by the first grating element in a diffraction order other than the desired diffraction pattern is masked out before entering the second monochromator.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist der zweite Monoch romator einen Austrittsspalt auf. Dieser Austrittsspalt des zweiten Monochromators bewirkt, dass Licht mit einer Wellenlänge, die in einer anderen als der gewünschten Beugungsordnung vom zweiten Gitterelement reflektiert wird , vor dem Austritt aus dem zweiten Monochromator ausgeblendet werden. Durch den Austrittsspalt des zweiten Monochromators tritt nur noch ein schmales, fast monochromatisches Wellenlängenintervall um die Wellenlänge λ aus.In a further advantageous embodiment, the second monochromator has an outlet gap. This exit slit of the second monochromator has the effect that light having a wavelength which is reflected by the second grating element in a diffraction order other than the desired diffraction pattern is masked out before it leaves the second monochromator. The exit gap of the second monochromator only enters narrow, almost monochromatic wavelength interval around the wavelength λ.
Wird hinter dem Austrittsspalt des zweiten Monochromators ein herkömmlicher Photomultiplier angeordnet, können im sogenannten Einkanalmodus Photonen der betreffenden Wellenlänge gezählt werden . Durch die simultane Drehung beider Gitterelemente kann die Wellenlänge λ, für die der Doppelmonochromator in einer bestimmten Beugungsordnung d urchlässig ist, kontinuierlich variiert werden, so dass die Intensitäten I (λ) im sogenannten Einkanal-Modus für jede Wellenlänge λ mit Hilfe des Photomultipiers zeitlich nacheinander gemessen werden .If a conventional photomultiplier is arranged behind the exit slit of the second monochromator, photons of the relevant wavelength can be counted in the so-called single-channel mode. Due to the simultaneous rotation of both grating elements, the wavelength λ, for which the double monochromator is permeable in a specific diffraction order, can be varied continuously, so that the intensities I (λ) in the so-called single-channel mode for each wavelength λ with the help of the photomultiplier in time be measured.
Ohne Verwendung eines Austrittsspalts am Ausgang des zweiten Monochromators gelangt ein relativ breites Wellenlängenspektrum auf einen hinter dem Austrittsspalt angeordneten Detektor. Dabei kann es sich beispielsweise um einen CCD-Detektor handeln , welcher ein Array aus einer Vielzahl kleiner Photodioden aufweist, so dass, ohne dass die Gitterelemente verfahren werden müssen , ein breites Wellenlängenspektrum gleichzeitig gemessen werden kann.Without using an exit slit at the exit of the second monochromator, a relatively broad wavelength spectrum reaches a detector arranged behind the exit slit. This can be, for example, a CCD detector which has an array of a large number of small photodiodes, so that a wide wavelength spectrum can be measured simultaneously without the grating elements having to be moved.
I n einer vorteilhaften Ausführungsform weist der Doppelmonochromator mindestens zwei Schrittmotoren auf, die jeweils einem der Gitterelemente zugeordnet sind . Die Schrittmotoren sind vorzugsweise an die Umschaltmittel angeschlossen .In an advantageous embodiment, the double monochromator has at least two stepper motors, each of which is assigned to one of the grating elements. The stepper motors are preferably connected to the switching means.
Die vorliegende Erfindung stellt somit einen Doppelmonochromator zur Verfügung, der ohne Verwendung zusätzlicher optischer Elemente durch Drehen eines der Gitterelemente aus einer Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion beziehungsweise aus einer Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in die Betriebsart der additiven Dispersion umgeschaltet werden kann. Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden deutlich anhand der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Abbildungen. Darin zeigenThe present invention thus provides a double monochromator which can be switched from a basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion or from a basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion without using additional optical elements. Further features and advantages of the present invention will become clear from the following description of preferred exemplary embodiments with reference to the accompanying figures. Show in it
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Doppelmonochromators in einer ersten Montierung zum Betrieb des Doppelmonochromators in einer Grundbetriebsart der additiven Dispersion ;Figure 1 is a schematic representation of a double monochromator according to the invention in a first mount for operating the double monochromator in a basic operating mode of the additive dispersion.
Fig. 2 eine schematische Darstellung des Doppelmonochromators in einer zweiten Montierung zum Betrieb des Doppelmonochromators in einer Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion.Fig. 2 is a schematic representation of the double monochromator in a second mount for operating the double monochromator in a basic operating mode of the subtractive dispersion.
Zunächst wird auf Fig. 1 Bezug genommen. Fig . 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen Doppelmonochromator 1 in einer ersten Montierung zum Betrieb des Doppelmonochromators in einer Grundbetriebsart der additiven Dispersion . Der Doppelmonochromator 1 kann zur spektralen Zerlegung von Licht, beispielsweise bei der Raman-Spektroskopie oder bei Fluoreszenzmessungen eingesetzt werden. Der Doppelmonochromator umfasst einen ersten Monochromator 10 und einen zweiten Monochromator 1 1 , deren optisch funktionale Elemente jeweils in einem lichtdichten Gehäuse angeordnet sind. Der Aufbau der beiden Monochromatoren 10, 1 1 , der nachfolgend beschrieben wird, ist im Wesentlichen identisch.First, reference is made to FIG. 1. Fig. 1 schematically shows a double monochromator 1 according to the invention in a first mount for operating the double monochromator in a basic operating mode of the additive dispersion. The double monochromator 1 can be used for the spectral decomposition of light, for example in Raman spectroscopy or in fluorescence measurements. The double monochromator comprises a first monochromator 10 and a second monochromator 11, the optically functional elements of which are each arranged in a light-tight housing. The structure of the two monochromators 10, 1 1, which is described below, is essentially identical.
Während des Betriebs des Doppelmonochromators 1 wird Licht von einer Lichtquelle oder einer spektroskopisch zu untersuchenden Probe mit Hilfe hier nicht explizit dargestellter Abbildungsmittel auf einen Eintrittsspalt 3 des ersten Monochromators 10 abgebildet. An einer dem Eintrittsspalt 3 gegenüberliegenden Seite weist der erste Monochromator 10 zwei mindestens abschnittsweise konkav geformte Spiegel 40a, 40b auf. Der erste konkav geformte Spiegel 40a lenkt dabei das vom Eintrittsspalt 3 kommende Licht als paralleles Lichtbündel auf ein erstes Gitterelement 20.During operation of the double monochromator 1, light from a light source or a specimen to be examined spectroscopically is imaged onto an entry slit 3 of the first monochromator 10 with the aid of imaging means which are not explicitly shown here. On a side opposite the entry gap 3, the first monochromator 10 has two mirrors 40a, 40b which are concavely shaped at least in sections. The first concave mirror 40a directs the light coming from the entrance slit 3 as a parallel light beam onto a first grating element 20.
Das erste Gitterelement 20 ist um eine im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts orientierte Drehachse drehbar. Die Reflexionsebene des Lichts wird dabei durch die Ausbreitungsrichtungen des auf das Gitterelement 20 auftreffenden und von diesem reflektierten Lichts aufgespannt.The first grating element 20 can be rotated about an axis of rotation oriented essentially perpendicular to a reflection plane of the light. The plane of reflection of the light is spanned by the directions of propagation of the light incident on the grating element 20 and reflected by it.
Das erste Gitterelement 20 ist vorzugsweise ein holographisches Gitterelement mit einer mindestens abschnittsweise im Wesentlichen sinusförmigen Profilierung, damit der Doppelmonochromator 1 , wie später erläutert werden wird, mit vergleichbarer Effizienz sowohl in einer G rundbetriebsart der additiven Dispersion als auch in einer Betriebsart der subtraktiven Dispersion betrieben werden kann .The first grating element 20 is preferably a holographic grating element with an at least partially substantially sinusoidal profiling, so that the double monochromator 1, as will be explained later, can be operated with comparable efficiency both in a general operating mode of the additive dispersion and in an operating mode of the subtractive dispersion can.
Anstelle eines holographischen Gitterelements mit einem etwa sinusförmigen Profil kann alternativ auch ein geritztes Strichgitterelement mit einer im Wesentlichen sägezahnartigen Profilierung oder ein sogenanntes holographisches Blaze- Gitterelement eingesetzt werden. Diese haben jedoch den Nachteil, dass die Effizienz in den beiden Betriebsarten der additiven beziehungsweise subtraktiven Dispersion unterschiedlich ist und dass die Umschaltung des Doppelmonochromators 1 zwischen diesen beiden Betriebsarten komplizierter ist.Instead of a holographic grating element with an approximately sinusoidal profile, alternatively a scored grating element with an essentially sawtooth-like profile or a so-called holographic blaze grating element can also be used. However, these have the disadvantage that the efficiency is different in the two operating modes of the additive or subtractive dispersion and that the switching of the double monochromator 1 between these two operating modes is more complicated.
Im weiteren Strahlverlauf ist hinter dem ersten Gitterelement 20 der zweite konkave Spiegel 40b angeordnet, der das vom ersten Gitterelement 20 reflektierte Lichtbündel über einen ersten ebenen Spiegel 50 auf den Austrittsspalt 6 des ersten Monochromators 10 fokussiert. Das Licht tritt nachfolgend in den zweiten Monochromator 1 1 ein und trifft dort zunächst auf einen zweiten ebenen Spiegel 51 , von dem es im weiteren Strahlverlauf auf einen dritten abschnittsweise konkav geformten Spiegel 41 a reflektiert wird . Vom dritten konkav geformten Spiegel 41 a wird das Licht auf ein zweites Gitterelement 21 gelenkt.In the further beam path, the second concave mirror 40b is arranged behind the first grating element 20, which mirror is from the first Grating element 20 reflected light bundles focused on the exit slit 6 of the first monochromator 10 via a first flat mirror 50. The light subsequently enters the second monochromator 1 1 and there first strikes a second flat mirror 51, from which it is reflected in the further beam path onto a third mirror 41 a which is concavely shaped in sections. The light is directed from the third concave mirror 41 a onto a second grating element 21.
Das zweite Gitterelement 21 , das im zweiten Monochromator 1 1 angeordnet ist, ist ebenfalls um eine im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts verlaufende Drehachse drehbar und ist vorzugsweise ebenfalls als holographisches Gitterelement mit einer im Wesentlichen sinusförmigen Profilierung ausgebildet. Das zweite Gitterelement kann ebenso wie das erste Gitterelement auch als geritztes Strichgitterelement ausgeführt sein.The second grating element 21, which is arranged in the second monochromator 11, can likewise be rotated about an axis of rotation which runs essentially perpendicular to a reflection plane of the light and is preferably likewise designed as a holographic grating element with an essentially sinusoidal profile. The second lattice element, like the first lattice element, can also be designed as a scored grating element.
Im weiteren Strahlverlauf ist hinter dem zweiten Gitterelement 21 ein vierter mindestens abschnittsweise konkav geformter Spiegel 41 b angeordnet, der das Licht auf einen Austrittsspalt 7 des zweiten Monochromators 1 1 fokussiert. Durch den Austrittsspalt 7 des zweiten Monochromators gelangt dann nur noch ein relativ schmales, fast monochromatisches Wellenlängenintervall um eine Wellenlänge λ.In the further beam path, a fourth at least sectionally concave mirror 41 b is arranged behind the second grating element 21 and focuses the light onto an exit slit 7 of the second monochromator 11. Only a relatively narrow, almost monochromatic wavelength interval around a wavelength λ then passes through the exit gap 7 of the second monochromator.
Um die Wellenlänge λ zu variieren, können das erste Gitterelement 20 und das zweite Gitterelement 21 synchron, vorzugsweise mit Hilfe computergesteuerter, den Gitterelementen 20, 21 zugeordneten Schrittmotoren , um ihre Drehachsen gedreht werden . H inter dem Austrittsspalt 7 ist während des Betriebs des Doppelmonochromators 1 im sogenannten Einkanal-Modus üblicherweise ein Photomultiplier angeord net, der die Photonen zählt, die den Doppelmonochromator durch den Austrittsspalt 7 verlassen. Wird der Austrittspalt 6 des ersten Monochromators 10 auf eine größere Breite eingestellt und der Austrittsspalt 7 des zweiten Monochromators 1 1 entfernt, kann der Doppelmonochromator 1 auch mit einem CCD-Array oder dergleichen in einem sogenannten Vielkanal-Modus betrieben werden . Ohne dass die Gitterelemente 20, 21 während des Betriebs synchron gedreht werden müssen , kann ein breites Wellenlängenspektrum des Lichts simultan gemessen werden.In order to vary the wavelength λ, the first grating element 20 and the second grating element 21 can be rotated about their axes of rotation synchronously, preferably with the aid of computer-controlled stepper motors assigned to the grating elements 20, 21. H inter the exit gap 7 is usually arranged during operation of the double monochromator 1 in the so-called single-channel mode, a photomultiplier that counts the photons that leave the double monochromator through the exit gap 7. If the exit gap 6 of the first monochromator 10 is set to a larger width and the exit gap 7 of the second monochromator 11 is removed, the double monochromator 1 can also be operated with a CCD array or the like in a so-called multi-channel mode. Without the grating elements 20, 21 having to be rotated synchronously during operation, a broad wavelength spectrum of the light can be measured simultaneously.
Man erkennt aus der Darstellung in Fig . 1 , dass das erste Gitterelement 20 in der Grundbetriebsart der additiven Dispersion um einen Drehwinkel α-i aus einer durch eine gestrichelte Linie dargestellte Ausgangsposition, welche die 0°-Stellung des ersten Gitterelements festlegt, in der das erste Gitterelement 20 wie ein herkömmlicher Spiegel wirkt und Licht in der nullten Beugungsordnung reflektiert, gedreht ist. Entsprechend ist das zweite Gitterelement 21 um einen Drehwinkel α2 aus seiner Ausgangsposition gedreht. Die Drehrichtungen beider Gitterelemente 20, 21 sind dabei identisch. Ferner gilt: CH = α2. Beide Gitterelemente sind also Grundbetriebsart der additiven Dispersion um identische Winkelbeträge aus ihren Ausgangspositionen gedreht. Das bedeutet, dass der Doppelmonochromator 1 in der Betriebsart der additiven Dispersion Licht mit einer bestimmten Wellenlänge λ in einer festen Beugungsordnung wie beispielsweise K = 1 oder K = -1 transmittiert.One can see from the representation in Fig. 1 that the first grating element 20 in the basic mode of additive dispersion by an angle of rotation α-i from a starting position represented by a dashed line, which defines the 0 ° position of the first grating element, in which the first grating element 20 acts like a conventional mirror and light reflected in the zeroth diffraction order is rotated. Correspondingly, the second grating element 21 is rotated by an angle of rotation α 2 from its starting position. The directions of rotation of both grid elements 20, 21 are identical. The following also applies: CH = α 2 . Both grid elements are therefore the basic operating mode of additive dispersion rotated by identical angular amounts from their starting positions. This means that in the additive dispersion mode, the double monochromator 1 transmits light with a specific wavelength λ in a fixed diffraction order, such as K = 1 or K = -1.
In der Betriebsart der additiven Dispersion werden der erste Monochromator 10 und der zweite Monochromator 1 1 in positiven oder negativen und zwar vorzugsweise in identischen Beugungsordnungen (zum Beispiel K = 1 oder K = -1 ) betrieben . In der Betriebsart der additiven Dispersion lassen sich relativ hohe Auflösungen erzielen. Um den in Fig. 1 dargestellten Doppelmonochromator 1 von der Betriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion umzuschalten sind erfindungsgemäß nicht explizit dargestellte Umschaltmittel vorgesehen, die in diesem Ausführungsbeispiel das zweite Gitterelement 21 so weit drehen, bis das zweite Gitterelement 21 in einer zum ersten Gitterelement 20 komplementären Beugungsordnung betrieben wird .In the operating mode of the additive dispersion, the first monochromator 10 and the second monochromator 11 are operated in positive or negative and preferably in identical diffraction orders (for example K = 1 or K = -1). In the additive dispersion mode, relatively high resolutions can be achieved. In order to switch the double monochromator 1 shown in FIG. 1 from the operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion, switching means which are not explicitly shown are provided according to the invention, which in this exemplary embodiment rotate the second grating element 21 until the second grating element 21 in one first grating element 20 complementary diffraction order is operated.
Wird beispielsweise das erste Gitterelement 20 des ersten Monochromators 10 für Licht einer bestimmten Wellenlänge in der Beugungsordnung K = +1. betrieben, so wird das zweite Gitterelement 21 des zweiten Monochromators 1 1 nach dem Umschalten in der Ordnung K = -1 betrieben und umgekehrt. Die Umschaltmittel d rehen das zweite Gitterelement 21 um den Betrag des Drehwinkels αi des ersten Gitterelements 20 in die genau entgegengesetzte Drehrichtung bis in die mit dem Bezugszeichen 21 ' versehene Position. In diesem Fall gilt: α2' = -α-, .For example, the first grating element 20 of the first monochromator 10 for light of a certain wavelength in the diffraction order K = +1. operated, the second grating element 21 of the second monochromator 11 is operated after switching in the order K = -1 and vice versa. The switching means d rotate the second grating element 21 by the amount of the angle of rotation αi of the first grating element 20 in the exactly opposite direction of rotation to the position provided with the reference symbol 21 '. In this case: α 2 '= -α-,.
Nach dem Umschalten aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion kann der Doppelmonochromator 2 beispielsweise als Bandpassfilter für monochromatische Beleuchtungszwecke oder als Vorzerleger für ein „Triple"-Raman-Spektrometer eingesetzt werden.After switching from the basic operating mode of the additive dispersion to the operating mode of the subtractive dispersion, the double monochromator 2 can be used, for example, as a bandpass filter for monochromatic lighting purposes or as a pre-splitter for a “triple” Raman spectrometer.
I n Fig . 2 ist der Strahlengang des Doppelmonochromators 1 in einer Montierung zum Betrieb des Doppelmonochromators 1 in einer Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion schematisch dargestellt. Der Doppelmonochromator 1 kann als in der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion als Bandpassfilter und darüber hinaus auch für zeitaufgelöste Spektroskopie eingesetzt werden, da die Laufzeitunterschiede von Licht unterschiedlicher Wellenlängen λ, die im ersten Monochromator 10 entstehen , im zweiten Monochromator 1 1 wieder aufgehoben werden.I n Fig. 2 shows the beam path of the double monochromator 1 in a mount for operating the double monochromator 1 in a basic operating mode of the subtractive dispersion. The double monochromator 1 can be used as a bandpass filter in the basic operating mode of the subtractive dispersion and, moreover, also for time-resolved spectroscopy, since the transit time differences of light of different wavelengths λ arise in the first monochromator 10, are canceled again in the second monochromator 1 1.
Sämtliche optisch funktionalen Komponenten des ersten Monochromators 10 und des zweiten Monochromators 1 1 entsprechen dabei denjenigen, die unter Bezugnahme auf Fig . 1 im Zusammenhang mit dem ersten Ausführungsbeispiel bereits ausführlich beschrieben wurden. Der Strahlengang und die einzelnen " optisch funktionalen Komponenten des Doppelmonochromators 1 sollen daher nicht noch einmal explizit erläutert werden. Insofern wird an dieser Stelle auf die Beschreibung der Fig. 1 verwiesen.All optically functional components of the first monochromator 10 and the second monochromator 11 correspond to those which are described with reference to FIG. 1 have already been described in detail in connection with the first exemplary embodiment. The beam path and the individual “ optically functional components of the double monochromator 1 are therefore not to be explained again explicitly. In this respect, reference is made to the description of FIG. 1 at this point.
Man erkennt, dass der erste Monochromator 10 in diesem Ausführungsbeispiel bezüglich des zweiten Monochromators 1 1 um 180° gedreht ist, um den Doppelmonochromator 1 in der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion zu betreiben. Das bedeutet, dass der Eintrittsspalt 3 des ersten Monochromators 10 auf einer dem Austrittsspalt 7 des zweiten Monochromators 1 1 entgegengesetzten Seite des Strahlengangs liegt.It can be seen that the first monochromator 10 in this exemplary embodiment is rotated by 180 ° with respect to the second monochromator 11 in order to operate the double monochromator 1 in the basic operating mode of the subtractive dispersion. This means that the entrance slit 3 of the first monochromator 10 lies on a side of the beam path opposite the exit slit 7 of the second monochromator 11.
In der Betriebsart der subtraktiven Dispersion werden die Gitterelemente 20, 21 in zueinander komplementären Beugungsordnungen betrieben. Beispielsweise wird das erste Gitterelement 21 des ersten Monochromators 10 für Licht einer bestimmten Wellenlänge in der Beugungsordnung K = 1 betrieben und das zweite Gitterelement 21 des zweiten Monochromators 1 1 in der Beugungsordnung K = -1 oder umgekehrt betrieben.In the operating mode of the subtractive dispersion, the grating elements 20, 21 are operated in mutually complementary diffraction orders. For example, the first grating element 21 of the first monochromator 10 is operated for light of a certain wavelength in the diffraction order K = 1 and the second grating element 21 of the second monochromator 11 is operated in the diffraction order K = -1 or vice versa.
Man erkennt, dass das erste Gitterelement 20 in der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion um einen Drehwinkel CH aus einer durch eine gestrichelte Linie dargestellte Ausgangsposition, welche die 0°- Stellung des ersten Gitterelements festlegt, in der das erste Gitterelement 20 wie ein herkömmlicher Spiegel wirkt und Licht in der nullten Beugungsordnung reflektiert, gedreht ist. Entsprechend ist das zweite Gitterelement 21 um einen Drehwinkel ct2 aus seiner Ausgangsposition gedreht. Die Drehrichtungen beider Gitterelemente 20, 21 sind dabei identisch. Ferner gilt: CH = α2. Beide Gitterelemente sind also in der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion um identische Winkelbeträge aus ihren Ausgangspositionen gedreht.It can be seen that the first grating element 20 in the basic operating mode of the subtractive dispersion by an angle of rotation CH from a starting position represented by a dashed line, which defines the 0 ° position of the first grating element in which the first Grating element 20 acts like a conventional mirror and reflects light in the zero diffraction order, is rotated. Correspondingly, the second grating element 21 is rotated from its starting position by an angle of rotation ct 2 . The directions of rotation of both grid elements 20, 21 are identical. Furthermore: CH = α 2 . In the basic operating mode of the subtractive dispersion, both grating elements are rotated by identical angular amounts from their starting positions.
Die Umschaltung aus der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in die Betriebsart der additiven Dispersion erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel wiederum mit Hilfe der nicht explizit gezeigten Umschaltmittel. Dabei wird das zweite Gitterelement 21 des zweiten Monochromators 1 1 so weit bis in die mit dem Bezugszeichen 21 ' bezeichnete Position gedreht, bis es ebenfalls in der Beugungsordnung des ersten Gitterelements 20 betrieben wird. Wird beispielsweise das erste Gitterelement 20 des ersten Monochromators 10 für Licht einer bestimmten Wellenlänge in der Beugungsordnung K = +1 betrieben, so wird das zweite Gitterelement 21 des zweiten Monochromators 1 1 nach dem Umschalten ebenfalls in der Beugungsordnung K = +1 betrieben . Die Umschaltmittel drehen dabei das zweite Gitterelement 21 um den Betrag des Drehwinkels αi des ersten Gitterelements 20 in die genau entgegengesetzte Drehrichtung bis in die mit dem Bezugszeichen 21 ' versehene Position . In diesem Fall gilt dann erneut: α2' = -αi , wobei das Minuszeichen die unterschiedlichen Drehrichtungen symbolisiert. Es ist natürlich auch möglich, das erste Gitterelement 20 zu drehen, bis es in der Beugungsordnung des zweiten Gitterelements 21 betrieben wird .The switchover from the basic operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion takes place in this exemplary embodiment again with the aid of the switchover means which are not explicitly shown. The second grating element 21 of the second monochromator 11 is rotated until it reaches the position designated by the reference symbol 21 'until it is also operated in the diffraction order of the first grating element 20. For example, if the first grating element 20 of the first monochromator 10 is operated for light of a specific wavelength in the diffraction order K = +1, the second grating element 21 of the second monochromator 11 is also operated in the diffraction order K = +1 after the switchover. The switching means rotate the second grating element 21 by the amount of the angle of rotation αi of the first grating element 20 in the exactly opposite direction of rotation to the position provided with the reference symbol 21 '. In this case the following again applies: α 2 '= -αi, the minus sign symbolizing the different directions of rotation. It is of course also possible to rotate the first grating element 20 until it is operated in the diffraction order of the second grating element 21.
Wie bereits im Zusammenhang mit der Beschreibung der Fig. 1 erläutert, ist es vorteilhaft, holographische Gitterelement mit einem im Wesentlichen sinusförmigen Profil einzusetzen, um wiederum in beiden Betriebsarten eine vergleichbare Effizienz zu erzielen. Es ist im Prinzip auch möglich , geritzte Strichgitterelemente oder auch holographische Blaze-Gitterelement einzusetzen. Diese müssen jedoch zusätzlich um 180° um eine im Wesentlichen parallel zur Gitternormalen verlaufende Achse ged reht werden, damit die Effizienzverluste kompensiert werden können.As already explained in connection with the description of FIG. 1, it is advantageous to use holographic grating elements with an essentially sinusoidal profile in order to again achieve comparable efficiency in both operating modes. It is in principle, it is also possible to use scratched grating elements or holographic blaze grating elements. However, these must also be rotated by 180 ° around an axis that runs essentially parallel to the grid normal so that the efficiency losses can be compensated for.
Im Gegensatz zu dem aus dem Stand der Technik bereits vorbekannten Doppelmonochromatoren, deren Gitterelemente in der Regel auf einer gemeinsamen Drehachse betrieben werden , so dass bei der Umschaltung von add itiver zu subtraktiver Dispersion zusätzliche optische Elemente wie beispielsweise zwischen dem ersten Monochromator und dem zweiten Monochromator angeordnete Spiegel oder Linsen benötigt werden , erfolgt bei dem erfindungsgemäßen Doppelmonochromator 1 die Umschaltung zwischen beiden Betriebsarten dadurch, dass eines der Gitterelemente 20, 21 mit H ilfe der Umschaltmittel ged reht und entsprechend in einer anderen Beugungsordnung betrieben wird . In contrast to the double monochromators already known from the prior art, whose grating elements are generally operated on a common axis of rotation, so that when switching from additive to subtractive dispersion, additional optical elements, such as, for example, arranged between the first monochromator and the second monochromator If mirrors or lenses are required, the double monochromator 1 according to the invention switches between the two operating modes in that one of the grating elements 20, 21 rotates with the aid of the switching means and is operated accordingly in a different diffraction order.

Claims

Patentansprüche: claims:
1 . Doppelmonochromator (1 ) zur spektralen Zerlegung von Licht, umfassend: einen ersten Monochromator (10) , der ein erstes Gitterelement (20) aufweist, das mindestens um eine im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts verlaufende Drehachse drehbar ist, einen zweiten Monochromator ( 1 1 ), der ein zweites Gitterelement (21 ) aufweist, das mindestens um eine im Wesentlichen senkrecht zu einer Reflexionsebene des Lichts verlaufende Drehachse drehbar ist, wobei die Monochromatoren (10, 1 1 ) so montierbar sind , dass der Doppelmonochromator (1 ) in einer Grundbetriebsart der additiven Dispersion oder in einer Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion betreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelmonochromator (1 ) Umschaltmittel aufweist, die geeignet sind, den Doppelmonochromator (1 ) durch Drehung eines der Gitterelemente (20, 21 ) aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in die Betriebsart der subtraktiven Dispersion beziehungsweise aus der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in die Betriebsart der additiven Dispersion umzuschalten.1 . Double monochromator (1) for the spectral decomposition of light, comprising: a first monochromator (10) which has a first grating element (20) which can be rotated at least about an axis of rotation which is essentially perpendicular to a reflection plane of the light, a second monochromator (1 1), which has a second grating element (21) which can be rotated at least about an axis of rotation extending essentially perpendicular to a reflection plane of the light, the monochromators (10, 1 1) being mountable in such a way that the double monochromator (1) is in one Basic operating mode of the additive dispersion or can be operated in a basic operating mode of the subtractive dispersion, characterized in that the double monochromator (1) has switching means which are suitable for turning the double monochromator (1) by rotating one of the grating elements (20, 21) from the basic operating mode of the additive Dispersion in the operating mode of the subtractive dispersion or from the basic bed to switch the operating mode of the subtractive dispersion to the operating mode of the additive dispersion.
2. Doppelmonochromator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie zum Umschalten des Doppelmonochromators (1 ) aus der Grundbetriebsart der additiven Dispersion in d ie Betriebsart der subtraktiven Dispersion die Drehung eines der Gitterelemente (20, 21 ) in der Weise bewirken , dass eines der Gitterelemente (20, 21 ) in positiven Beugungsordnungen und das andere Gitterelement (20, 21 ) in negativen Beugungsordnungen betreibbar ist.2. Double monochromator according to claim 1, characterized in that the switching means are designed such that they for switching the double monochromator (1) from the basic operating mode of the additive dispersion into the operating mode the subtractive dispersion, the rotation of one of the grating elements (20, 21) in such a way that one of the grating elements (20, 21) can be operated in positive diffraction orders and the other grating element (20, 21) in negative diffraction orders.
3. Doppelmonochromator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie die Drehung eines der Gitterelemente (20, 21 ) in der Weise bewirken, dass beide Gitterelemente (20, 21 ) für Licht einer bestimmten Wellenlänge in zueinander komplementären Beugungsordnungen betreibbar sind .3. Double monochromator according to claim 2, characterized in that the switching means are designed so that they cause the rotation of one of the grating elements (20, 21) in such a way that both grating elements (20, 21) complementary to one another for light of a specific wavelength Diffraction orders are operable.
4. Doppelmonochromator nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel so ausgebildet ist, dass sie die Drehung eines der Gitterelemente (20, 21 ) in der Weise bewirken, dass beide Gitterelemente (20, 21 ) relativ zu ihren Ausgangspositionen , in denen jedes der Gitterelemente (20, 21 ) Licht in nullter Beugungsordnung reflektiert, um identische Drehwinkel in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen gedreht sind.4. Double monochromator according to claim 2 or 3, characterized in that the switching means is designed such that they cause the rotation of one of the grating elements (20, 21) in such a way that both grating elements (20, 21) relative to their starting positions, in which each of the grating elements (20, 21) reflects light in the zero diffraction order, rotated by identical angles of rotation in mutually opposite directions of rotation.
5. Doppelmonochromator nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie zum Umschalten des Doppelmonochromators ( 1 ) aus der Grundbetriebsart der subtraktiven Dispersion in die Betriebsart der additiven Dispersion d ie Drehung eines der Gitterelemente (20, 21 ) in der Weise bewirken , dass beide Gitterelemente (20, 21 ) in positiven Beugungsordnungen oder in negativen Beugungsordnungen betreibbar sind .5. Double monochromator according to claim 1, characterized in that the switching means are designed such that they for switching the double monochromator (1) from the basic operating mode of the subtractive dispersion into the operating mode of the additive dispersion, ie the rotation of one of the grating elements (20, 21) cause both grating elements (20, 21) to be operable in positive diffraction orders or in negative diffraction orders.
6. Doppelmonochromator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind, dass sie die Drehung eines der Gitterelemente (20, 21 ) in der Weise bewirken, dass beide Gitterelemente (20, 21 ) für Licht einer bestimmten Wellenlänge in identischen Beugungsordnungen betreibbar sind .6. Double monochromator according to claim 5, characterized in that the switching means are designed that they cause the rotation of one of the grating elements (20, 21) in such a way that both grating elements (20, 21) can be operated for light of a certain wavelength in identical diffraction orders.
7. Doppelmonochromator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltmittel so ausgebildet sind , dass sie die Drehung beider Gitterelemente (20, 21 ) in der Weise bewirken , dass beide Gitterelemente (20, 21 ) relativ zu ihren Ausgangspositionen , in denen jedes der Gitterelemente (20, 21 ) Licht in nullter Beugungsordnung reflektiert, um identische Drehwinkel in zueinander entgegengesetzten Drehrichtungen gedreht sind .7. Double monochromator according to claim 5 or 6, characterized in that the switching means are designed so that they cause the rotation of both grating elements (20, 21) in such a way that both grating elements (20, 21) relative to their starting positions in which each of the grating elements (20, 21) reflects light in the zero order of diffraction by identical angles of rotation in opposite directions of rotation.
8. Doppelmonochromator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitterelemente (20, 21 ) als holographisches Gitterelement ausgebildet ist.8. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 7, characterized in that at least one of the grating elements (20, 21) is designed as a holographic grating element.
9. Doppelmonchromator ( 1 ) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass beide Gitterelemente (20, 21 ) als holographische Gitterelemente ausgebildet sind.9. Double monchromator (1) according to claim 8, characterized in that both grating elements (20, 21) are designed as holographic grating elements.
1 0. Doppelmonochromator (1 ) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine holographische Gitterelement eine im Wesentlichen sinusförmige Profilierung aufweist.1 0. Double monochromator (1) according to claim 8 or 9, characterized in that the at least one holographic grating element has a substantially sinusoidal profile.
1 1 . Doppelmonochromator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Gitterelemente (20, 21 ) als geritztes Strichgitterelement ausgebildet ist. 1 1. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least one of the grating elements (20, 21) is designed as a scratched grating element.
12. Doppelmonochromator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelmonochromator (1 ) Mittel zur Drehung mindestens eines der Gitterelemente (20, 21 ) um 180° um eine im Wesentlichen parallel zur Gitternormalen des Gitterelements (20, 21 ) verlaufende Drehachse aufweist.12. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 1 1, characterized in that the double monochromator (1) means for rotating at least one of the grating elements (20, 21) by 180 ° by a substantially parallel to the grating normal of the grating element (20 , 21) has a rotating axis of rotation.
1 3. Doppelmonochromator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Monochromator einen Austrittsspalt (6) aufweist.1 3. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 12, characterized in that the first monochromator has an outlet gap (6).
14. Doppelmonochromator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Monochromator einen Austrittsspalt (7) aufweist.14. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 13, characterized in that the second monochromator has an outlet gap (7).
1 5. Doppelmonochromator (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Doppelmonochromator (1 ) mindestens zwei Schrittmotoren aufweist, die jeweils einem der Gitterelemente (20, 21 ) zugeordnet sind.1 5. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 14, characterized in that the double monochromator (1) has at least two stepper motors, each of which is assigned to one of the grating elements (20, 21).
16. Doppelmonochromator ( 1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass d ie Schrittmotoren an die Umschaltmittel angeschlossen sind . 16. Double monochromator (1) according to one of claims 1 to 15, characterized in that the stepper motors are connected to the switching means.
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