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Unterschiede zwischen Monochromatoren und Spektrographen
Monochromatoren und Spektrographen
Monochromatoren und Spektrographen mit Gittern
zur spektralen Dispersion des Lichts sind die täglichen
Werkzeuge in der Spektroskopie vom UV bis zum IR.
Je nach Aufgabenstellung werden Monochromatoren,
Spektrographen oder abbildende Spektrographen
eingesetzt. Worin unterschieden sich diese Geräte und
ihre Einsatzmöglichkeiten?
Monochromatoren
Die wesentlichen Komponenten des optischen Aufbaus
eines Monochromators sind ein Eingangsspalt, Umlenk-
und Kollimatorspiegel, ein Gitterturm mit ein oder
mehreren Gittern und ein Ausgangsspalt. Die Anzahl
der Gitter hängt vom Monochromatortyp ab und kann
bis zu drei betragen.
Je nach Wellenlängenbereich (UV, VIS oder IR) und
Empfindlichkeit werden Einzelelement-Detektoren wie
Photodioden (GaN, Si, InGaAs, Ge, PbS, PbSe, Hg-
CdZnTe), Thermopiles oder Photomultiplier eingesetzt.
Monochromator und Einzelelement-Detektor sind eine
leistungsstarke und preisgünstige Lösung für die Aufnahme
zeitlich konstanter Spektren.
Monochromatoren werden übrigens nicht nur zur
Detektion von Licht sondern auch in Kombination mit
Lichtquellen auch eingesetzt, um Licht schmaler Bandbreite
zu erzeugen (monochromatische Lichtquellen).
Spektrographen
Wie bei Monochromatoren sind die optischen Komponenten
eines Spektrographen ein Eingangsspalt,
Umlenk- und Kollimatorspiegel und ein oder mehrere
Gitter. Anstelle des Ausgangsspaltes haben Spektrographen
jedoch eine Ausgangsebene. Die Optik ist
so konstruiert, dass diese Ebene flach ist (flatfield).
Die verschiedenen Wellenlängen werden auf nebeneinander
liegende Positionen dieser Ausgangsebene
projiziert. Wie beim Monochromator wird aufgrund
von Astigmatismus der Optik eine Punktlichtquelle am
Eingang auf eine vertikale Linie in der Ausgangsebene
abgebildet. An den Rändern der Ausgangsebene wird
diese Linie etwas sichelförmig.
Optischer Aufbau eines abbildenden Monochromators
Das durch den Eingangsspalt fallende Licht wird vom
Gitter spektral dispergiert und auf eine Ausgangsebene
abgebildet. Da in Monochromatoren sphärische
Spiegel verwendet werden, ist die Brennebene am
Ausgang gekrümmt. Bedingt durch Astigmatismus wird
eine Punktlichtquelle am Eingang auf eine vertikale
Linie in der Ausgangsebene abgebildet. An der Position
des Ausgangsspalts, der eine einzelne Farbe bzw.
ein schmales Wellenlängenband selektiert, liegt eine
scharfe Abbildung des Eingangsspalts vor. Daher kann
man also immer nur die Intensität einer Wellenlänge
messen. Um ein Spektrum zu erhalten, muss somit jede
einzelne Wellenlänge durch Drehen des Gitters auf
den Ausgangsspalt abgebildet werden. In Abhängigkeit
von der gewünschten spektralen Auflösung und
Breite des Spektrums, d.h. der Anzahl der Messpunkte,
kann die Aufnahme eines Spektrums einige 10 Minuten
dauern. Ein Monochromator ist daher nur imstande,
ein zeitlich konstantes Spektrum zu vermessen.
Optischer Aufbau eines einfachen Spektrographen,
163 mm fokale Länge
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or Uwe Schmidt, Telefon: +49 6151 8806 15, E-Mail: schmidt@lot-qd.de
LOT-QuantumDesign GmbH. Im Tiefen See 58. D-64293 Darmstadt. Telefon: +49 6151 8806 0. E-Mail: info@lot-qd.de. www.lot-qd.com/de

Unterschiede zwischen Monochromatoren und Spektrographen
Abhängig von der Brennweite des Spektrographen,
der spektralen Dispersion des Gitters und der Breite
des verwendeten Multichannel-Detektors wird ein
spektraler Bereich von einigen 10 nm bis zu mehreren
100 nm gleichzeitig gemessen.
Bei den Multichannel-Detektoren handelt es sich je
nach Anforderung an Empfindlichkeit und Zeitauflösung
um CCDs (Charge Coupled Devices), ICCDs
(Intensified Charge Coupled Devices) oder PDAs
(Photodiodenarrays). Die spektroskopischen 16 Bit
CCDs von ANDOR haben zumeist 1024 x 128, 1024
x 256 oder 2048 x 512 Pixel mit einer Größe von 13
μm bzw. 26 μm. Bei einer Breite von 26,6 mm überdecken
sie praktisch die gesamte Ausgangsebene. Die
Detektorbreite der ANDOR ICCDs beträgt üblicherweise
18 mm bzw. 25 mm (Durchmesser des Bildverstärkers).
Für IR-Anwendungen gibt es von LOT-Oriel
InGaAs-Detektoren auf PDA-Basis mit 128 – 1024 Pixeln,
d.h. 25,6 mm Breite.
Prinzipiell kann man Spektrographen auch als
Monochromatoren einsetzen, wenn man einen Spalt in
der Ausgangsebene platziert, aber Monochromatoren
wegen der gekrümmten Ausgangsebene nicht als
Spektrographen.
Da das gesamte Spektrum gleichzeitig aufgenommen
wird, sind Spektrographen und Multichannel-Detektoren
das ideale Werkzeug zur schnellen Aufnahme
eines konstanten oder zeitlich veränderlichen Spektrums.
Je nach Multichannel-Detektor kann eine Zeitauflösung
vom ms, μs bzw. ns erreicht werden.
Aufbau eines abbildenden 500 mm-Spektrographen in
symmetrischer Czerny-Turner-Konfiguration mit 3 Gittern
Abbildende Spektrographen
Der Aufbau von abbildenden Spektrographen (auch
Imaging-Spektrographen genannt) entspricht dem von
konventionellen Spektrographen. Der Astigmatismus
wird allerdings entweder durch einen Korrekturspiegel
verringert oder durch Toroidalspiegel beseitigt. Neben
einer exzellenten spektralen Auflösung (horizontal)
zeigen die mit Toroidalspiegeln ausgestatteten, abbildenden
Spektrographen auch eine hervorragende
räumliche Auflösung (vertikal). Es findet eine Punktzu-Punkt
Abbildung vom Eingangsspalt auf die flache
Ausgangsebene statt.
INPUT PLANE
200µm
NON-IMAGING
OUTPUT PLANE
INPUT PLANE
200µm
IMAGING
(MAG 1.6)
OUTPUT PLANE
400 µm 400 µm 640 µm
Nehmen wir an, das sich in der Eingangsebene eines
konventionellen bzw. eines abbildenden Spektrographen
zwei Lichtleiter (Durchmesser 200 μm, Abstand
400 μm) befinden und dass das Licht monochromatisch
ist. Der konventionelle Spektrograph erzeugt
einen schmalen Strich an der dieser Wellenlänge
entsprechenden Position der Ausgangsebene. Der abbildende
Spektrograph dagegen liefert zwei getrennte
kleine Flecken. Die Abbildung der kreisförmigem
Lichtleiter ist leicht elliptisch, wenn die Abbildungsmaßstäbe
in spektraler Richtung und in vertikaler Richtung
verschieden sind. Würde man beim konventionellen
Spektrographen den oberen Lichtleiter abdecken,
so würde sich lediglich die Intensität der Linie in der
Ausgangsebene halbieren. Beim abbildenden Spektrographen
verschwindet der obere Fleck.
Aufgrund der Punkt-zu-Punkt Abbildung vom Eingangsspalt
auf die Ausgangsebene können abbildende
Spektrographen in Kombination mit 2-dimensionalen
CCD- und ICCD-Detektoren Untergrund-, Referenz- und
mehrere Probenspektren gleichzeitig mit hoher Zeitauflösung
(ms-, μs- bzw. ns-Bereich) aufnehmen. Sie sind
damit die bevorzugte Wahl für anspruchsvolle Aufgaben
in der Spektroskopie
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