Bereichs- und Auflösungsanpassung in Diodenarray-Spektrometern

Diodenarray-Spektrometer können entweder mit Reflexions- oder Beugungstransmissionsgittern hergestellt werden. Für jede gegebene Spektrometerkonfiguration (Spiegel/Linsen, Transmissionsgitter und Detektor) ist es möglich, den Wellenlängenbereich und die Auflösung zu ändern, indem man das Beugungstransmissionsgitter gegen eines mit einer anderen Nutendichte austauscht. Bei Spektrometern, die auf Reflexionstransmissionsgitter basieren, ist es außerdem möglich, den Wellenlängenbereich durch Drehen des Transmissionsgitters einzustellen. Dies ist jedoch bei Spektrometern, die auf Transmissionsgitter basieren, nicht möglich – in diesem technischen Hinweis erklären wir, warum.

Abbildung 1: Beispiel für ein Spektrometer auf Reflexionsgitterbasis und die Auswirkung der Änderung von einem 1200 l/mm-Gitter zu einem 1800 l/mm-Gitter.

Abbildung 1 veranschaulicht, wie die Auflösung und der Wellenlängenbereich durch Ändern des Transmissionsgitters verändert werden können. Auf der linken Seite haben wir ein Spektrometer mit einem 1200 l/mm Transmissionsgitter, das einen Wellenlängenbereich von 400 – 800 nm mit einer Auflösung von 1 nm abdeckt. In der Mitte von Abbildung 1 wird das Transmissionsgitter durch ein 1800 l/mm Transmissionsgitter ersetzt, das in der exakt gleichen Position wie das vorherige Transmissionsgitter montiert ist. Wie man sieht, ändert dies den Wellenlängenbereich, der auf den Detektor trifft, auf 270 – 530 nm und verbessert die Auflösung auf 0,6 nm. Im Grunde hat sich also ein großer Teil des Spektrums in den UV-Bereich verschoben. Rechts in Abbildung 1 ist dargestellt, dass wir durch Drehen des Transmissionsgitters das sichtbare Spektrum wieder auf den Detektor bekommen können (oder zumindest einen Teil davon). Dies liegt daran, dass die Beugungsordnungen eines Reflexionstransmissionsgitters etwa um das Doppelte der Drehung des Transmissionsgitters selbst gedreht werden – genau wie bei einem Spiegel.

In Abbildung 2 zeigen wir die gleiche Transmissionsgitteränderung und -drehung wie in Abbildung 1, jedoch jetzt mit einem Transmissionsgitter im Spektrometer. Wie man sieht, erhalten wir durch den Wechsel des Transmissionsgitters von 1200 l/mm zu 1800 l/mm die gleiche Verschiebung des Wellenlängenbereichs und der Auflösung von 400 – 800 nm auf 270 – 530 nm bzw. von 1 nm auf 0,6 nm. Wenn wir jedoch versuchen, das Transmissionsgitter zu drehen, passiert nichts. Dies liegt daran, dass sich die Ordnungen eines Transmissionsgitters nicht drehen, wenn das Transmissionsgitter gedreht wird – ähnlich wie Licht, das durch ein Fenster geht.

Abbildung 2: Beispiel für ein Spektrometer auf Transmissionsgitterbasis und die Auswirkung der Änderung des Gitters von einem 1200 l/mm-Gitter zu einem 1800 l/mm-Gitter

Diese Beispiele haben gezeigt, dass:

• Sie den Wellenlängenbereich eines Spektrometers durch den Austausch des Gitters verändern können.
• Sie den Wellenlängenbereich abstimmen können, wenn das Gitter ein Reflexionsgitter ist.
• Sie den Wellenlängenbereich nicht abstimmen können, wenn das Gitter ein Transmissionsgitter ist.

Diese technische Notiz veranschaulicht auch, dass die Wellenlängengenauigkeit eines auf einem Reflexionsgitter basierenden Spektrometers äußerst empfindlich auf selbst kleine Winkelverdrehungen des Gitters reagiert, die beispielsweise durch Vibrationen oder Temperaturschwankungen verursacht werden, während ein auf einem Transmissionsgitter basierendes Spektrometer sehr stabil und robust gegenüber solchen Winkelverdrehungen des Gitters ist.