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Hochauflösendes Spektrometer

Ein neuartiges Spektrometer erzielt über das gesamte sichtbare Spektrum zwischen 350nm und 650nm eine Auflösung von etwa 40pm.

Das ist möglich, indem das einfallende Licht auf einem zweidimensionalen Detektor ausgewertet wird. In einer Richtung ("Grobauflösung") liefert ein Transmissionsgitter und/oder Prisma eine Auflösung von etwa 0,5nm. Jedes dieser 0,5nm breiten spektralen Intervalle wird dann mithilfe eines Etalons ("Feinauflösung") längs der zweiten Richtung spektral fein aufgelöst, so dass sich insgesamt bis zu 20000 spektrale Kanäle ergeben.

Im Folgenden werden die wesentlichen Funktionsprinzipien und die im Rahmen eines gemeinsamen ZIM-Projekts erzielten Ergebnisse gezeigt.

Prinzip

Das Prinzip des Spektrometers besteht aus zwei "gekreuzten" Auflösungen, die auf einem zweidimensionalen Bildsensor erzeugt werden.

Längs der einen Achse wird das einfallende Licht mittels eines Gitters und Prismas mit einer relativ groben Auflösung von etwa 0,5nm aufgespalten (links).

Längs der dazu senkrechten Achse fällt das Licht unter variierendem Winkel auf ein Etalon, dessen Finesse den jeweiligen Spektralbereich von 0,5nm wesentlich feiner auflösen kann (Mitte und rechts).

Grobauflösung
Die Grobauflösung liefert horizontal gestaffelte senkrechte Streifen von jeweils etwa 0,5nm Breite
Feinauflösung
Die Feinauflösung, hier als reine Intensität dargestellt, unterscheidet vertikal einzelne Frequenzbänder innerhalb der Grobauflösung
Browser-GUI
Über einen Browser lassen sich die Spektren darstellen und bis auf 1pm zoomen

Laboraufbau

Bislang gibt es einen Laboraufbau der Größe von etwa LxBxH = 55cm x 22cm x 18cm. Er hat eingangsseitig einen Spalt mit variabler Breite, der typisch auf 50µm eingestellt ist. Als Kamera wird eine USB-Kamera (Typ: SBIG ST-8300M/C) mit einem CCD-Sensor und 3326x2504 Pixeln eingesetzt.

Breadboard-Aufbau
Demonstrator mit Maßen 55x22x18cm³
Simulation
Simulative Optimierung der Kombination aus Gitter, Prisma und Etalon
3D-Modell
3-dimensionale Modellierung eines Prototypen

Spektren

Als Beispiel ist hier das Spektrum von Neon dargestellt. Die rote Linie gibt die Auflösung durch das Gitter an. In schwarz ist die resultierende Auflösung dargestellt, wenn die Information des Etalons mit einbezogen wird. Die Auflösung beträgt dann beispielsweise 25pm (ganz rechts).

Gesamtspektrum von Neon
Das Spektrum vn Neon zeigt viele schmale Linien
Ausschnittsvergrößerung
Die Auflösung unter Einbeziehung des Etalons ist wesentlich besser als die des reinen Prisma/Gitters.
Auflösung
Die Linienauflösung liegt typisch zwischen 18pm und 42pm

Weitere Informationen

  • Projektpartner: ,
  • Spezifikationen: Spektralbereich 350-650nm, Auflösung <50pm
  • Download: Posterpräsentation
  • Publikationen: September 2014 (68[9]) issue of Applied Spectroscopy (special issue LIBS), pp.1030-1038
  • Projektförderung: (FKZ: KF2255601FK9)