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Lexikon der Optik: Monochromator

Monochromator, ein Spektralapparat, der es gestattet, im Bereich seiner spektralen Durchlässigkeit, kontinuierlich regelbar, eine gewünschte Wellenlänge aus dem elektromagnetischen Spektrum mit einer bestimmten Bandbreite auszusondern.

M. sind wesentliche Bestandteile von Spektralphotometern. Im Wellenlängenbereich von 100 nm bis 1 mm werden Prismen- oder Gittermonochromatoren verwendet. Als Abbildungselemente werden in M. in der Regel Hohlspiegel benutzt, da diese im Gegensatz zu Linsen keine chromatische Aberration aufweisen. Wesentliche physikalisch-technische Parameter eines M. sind: spektraler Arbeitsbereich, Auflösungsvermögen und Einstellgenauigkeit der Wellenlänge, spektrales Transmissionsvermögen und Streulichteigenschaften. Der spektrale Arbeitsbereich beträgt bei M. mit verschiedenen Prismen 0,12 bis 50 μm. Gittermonochromatoren können auch außerhalb des genannten Arbeitsbereiches eingesetzt werden. Das spektrale Auflösungsvermögen eines M. hängt unter anderem von der Größe und den Dispersionseigenschaften der Prismen- oder Gittersysteme, von den Abbildungsfehlern und den Spaltbreiten ab. Die spektrale Durchlässigkeit wird bestimmt vom verwendeten Dispersionssystem und von der Anzahl und den spektralen Eigenschaften der verwendeten Spiegel. Das Streulicht kann durch Verwendung wenig streuender Bauteile und durch spektrale Mehrfachzerlegung mit Doppel- oder Dreifach-M. gering gehalten werden. Die Optimierung bezüglich der erwähnten Parameter hat zu einer Reihe von typischen Monochromatorkonstruktionen geführt. In Abb. 1 ist z.B. ein klassischer Prismen-Einfach-Monochromator mit Wadsworth-Aufstellung des Prismas dargestellt. Der Eintrittsspalt 1 steht im Brennpunkt des Kollimatorspiegels 2. Das parallele Lichtbündel wird über den Wadsworth-Planspiegel 3 zum Prisma 4 geleitet und spektral zerlegt (nur ein Farbbündel ist eingezeichnet) und anschließend zum Kameraspiegel 5 weitergeleitet, der das Spektrum in die Ebene des Austrittsspaltes 6 abbildet. Durch gemeinsame Drehung von Prisma und Wadsworth-Spiegel um eine Achse wandert das Spektrum am Austrittsspalt vorbei, wobei je nach Spaltbreite unterschiedlich weite und je nach Prismenstellung verschiedenfarbige Bereiche ausgefiltert werden können. Die Wadsworth-Aufstellung garantiert für jede sinnvolle Drehposition, daß das Prisma unter dem Minimum der Ablenkung benutzt wird. Mit außeraxialen Paraboloidspiegeln als Abbildungssystem sind die Abbildungsfehler bei der gezeigten Anordnung gering. Werden sphärische Spiegel verwendet, so sind die Aberrationen – mit Ausnahme von Astigmatismus – bei geringen Spalthöhen erträglich. Häufiger als Wadsworth-Anordnungen werden die Autokollimations- und die Littrow-Aufstellung verwendet (Abb. 2). Bei der ersteren ist das Prisma aus Materialgründen halbiert und die lange Kathetenfläche verspiegelt, so daß je nach Drehposition des Halbprismas das Licht einer ausgewählten Wellenlänge nahezu in Einfallsrichtung zurückgeworfen wird. Die Littrow-Anordnung mit Vollprisma und alleinstehendem, drehbaren Planspiegel (Littrow-Spiegel) oder mit Reflexionsgitter zeichnet sich durch höhere Dispersion aus. Den optischen Strahlengang eines Doppelmonochromators zeigt Abb. 3. Die Lichtquelle a wird über die Abbildungsoptik b auf den Eintrittsspalt c abgebildet. Der Spalt, der wie bei allen Spektrometern als linienförmige, sekundäre Lichtquelle wirkt, besteht aus zwei zueinander parallelen, scharfen Schneiden, deren Abstand z.B. mit einer Mikrometerschraube meßbar verändert werden kann. Nach Passieren des Eintrittsspaltes fällt das Licht über den Umlenkspiegel d auf den Kollimatorspiegel e, von dem aus es das Autokollimationsprisma f parallel durchsetzt und, spektral zerlegt, zum Kameraspiegel g läuft. Das von g abgebildete Spektrum liegt in der Schneidenebene des Spaltes h, der ein kleines Wellenlängenintervall ausschneidet. In der spiegelbildlichen zweiten Monochromatorhälfte wird das ausgefilterte Licht von etwaigem Streulicht anderer Wellenlängen befreit. Das Streulicht entsteht vorwiegend an Staub und Kratzern auf den optischen Flächen und durch Vielfachreflexionen im M. Die Wellenlängenvariation erfolgt durch synchrones Drehen der Autokollimationsprismen. Die beiden Prismen in einem Doppelmonochromator können so montiert werden, daß ein das erste Prisma an der Prismenbasis durchsetzender Strahl das zweite Prisma entweder wieder an der Basis oder aber an der Prismenspitze durchläuft. Im ersten Fall addieren sich die Dispersionen der beiden Einzelmonochromatoren, im zweiten Fall subtrahieren sie sich, und man spricht von einer additiven bzw. subtraktiven Dispersionsanordnung. Bei Gittermonochromatoren befinden sich anstelle der Prismen Reflexionsgitter.

Doppelmonochromatoren weisen gegenüber Einfachmonochromatoren ein quadratisch geschwächtes Streulicht auf, haben aber ein geringeres Transmissionsvermögen und können z.B. durch Gleichlauffehler der Prismenanordnung ein etwas geringeres Grenzauflösungsvermögen besitzen.

Extrem geringes Streulicht zeigen M. mit holographischen Gittern. Besonders gut eignen sich hierfür korrigierte Konkavgitter, die mit der spektralen Zerlegung des Lichtes eine sehr gute optische Abbildung verbinden (Abb. 6 zu korrigierte Konkavgitter) und in einem bestimmten Wellenlängenbereich optimale Eigenschaften aufweisen, wie etwa großes spektrales Auflösungsvermögen, gekoppelt mit hohem spektralen Transmissionsvermögen und Streulichtarmut. Hohes Auflösungsvermögen und sehr große Dispersion können mit speziellen Gittermonochromatoren, z.B. mit Echellespektrometern, erreicht werden.

Moderne M.-Anordnungen gestatten die Ankopplung von bild- bzw. zeilenverarbeitenden Empfängersystemen wie Bildwandlern, Bildaufnahmeröhren und CCD-Zeilen.

Ein sehr einfacher M. kann unter Verwendung eines Verlauffilters realisiert werden.

Monochromatoren für Röntgenstrahlung nutzen die selektive Reflexion (genauer Beugung) von Röntgenstrahlen an Einkristallen aus. Dabei wird der Kristall so orientiert, daß für die gewünschte Wellenlänge die Braggsche Reflexionsbedingung erfüllt ist. Außer ebenen Einkristallen werden auch zylindrisch gebogene verwendet, die eine Fokussierung der aus der Röntgenröhre austretenden divergenten Strahlung auf eine Linie erlauben. Daneben gibt es auch Punktfokus-Monochromatoren, die mit einem zu einem Ellipsoid verformten Einkristall arbeiten.



Monochromator 1: Monochromator mit Wadsworth-Aufstellung des Prismas (Erläuterung im Text).



Monochromator 2: Monochromator mit Littrow-Aufstellung des Prismas. 1 Eintrittsspalt; 2, 6 Umlenkspiegel, 3 Hohlspiegel, 4 Prisma, 5 Littrow-Spiegel, 7 Austrittsspalt. Die Elemente 4 und 5 können auch durch ein drehbares Autokollimations-Halbprisma ersetzt werden (Autokollimations-Aufstellung).



Monochromator 3: Aufbau eines Prismendoppelmonochromators (Erläuterung im Text).

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