AT528082A1

AT528082A1 - Vorrichtung zur Fourier-Transformations-Spektrometrie

Info

Publication number: AT528082A1
Application number: ATA50202/2024A
Authority: AT
Inventors: Zorin Dr Ivan; Brandstetter Dr Markus
Original assignee: Res Center For Non Destructive Testing Gmbh
Priority date: 2024-03-08
Filing date: 2024-03-08
Publication date: 2025-09-15
Also published as: WO2025184676A8; WO2025184676A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zur Fourier-Transformations-Spektrometrie unter Verwendung einer breitbandigen, räumlich kohärenten Strahlungsquelle beschrieben, die einen Strahlenteiler zum Aufteilen eines Quellstrahls in zwei Strahlenarme, einen Strahlenkombinierer zur Rekombination der Strahlenarme zu einem Detektorstrahl, der auf einen mit einer Recheneinheit verbundenen Detektor gerichtet ist und eine im Strahlengang angeordneten Probenaufnahme umfasst. Um die Messung stark absorbierender Proben in einem großen Wellenlängenbereich mit gleichbleibender Qualität zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass der Strahlenteiler ein Wellenfront-Strahlenteiler ist und dass der Strahlenkombinierer ein transmissionsfreier Wellenfront-Kombinierer zur Rekombination der aus unterschiedlichen Richtungen eintretenden Strahlenarme ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Fourier-TransformationsSpektrometrie unter Verwendung einer breitbandigen, räumlich kohärenten Strahlungsquelle umfassend einen Strahlenteiler zum Aufteilen eines Quellstrahls in zwei Strahlenarme und einen Strahlenkombinierer zur Rekombination der Strahlenarme zu einem Detektorstrahl, der auf einen mit einer Recheneinheit verbundenen Detektor gerichtet ist und eine im Strahlengang angeordneten

Probenaufnahme.

Aus dem Stand der Technik sind Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer bekannt, bei denen ein von einem erhitzten, schwarzen Körper ausgehender Quellstrahl über einen halbdurchlässigen Spiegel als Strahlenteiler in zwei Strahlenarme aufgeteilt wird, die über Spiegel umgelenkt und über denselben halbdurchlässigen Spiegel als Strahlenkombinierer zu einem Detektorstrahl rekombiniert werden, der einem Detektor zugeführt wird. Mithilfe einer Recheneinheit wird das über den Detektor aufgenommene Interferogramm in ein

Spektrum umgewandelt.

Nachteilig am Stand der Technik ist allerdings, dass durch den halbdurchlässigen Spiegel die für die Messung nutzbare Strahlungsintensität reduziert wird und das Transmissionsverhalten des halbdurchlässigen Spiegels wellenlängenabhängig ist, sodass bei der Verwendung breitbandiger Strahlungsquellen und entsprechend

großer Messbereiche Messungenauigkeiten in Kauf genommen werden müssen.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Fourier-

Transformations-Spektrometrie bereitzustellen, welche die Messung stark

Qualität ermöglicht.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe dadurch, dass der Strahlenteiler ein Wellenfront-Strahlenteiler ist und dass der Strahlenkombinierer ein transmissionsfreier, vorzugsweise reflektiver und/oder achromatischer WellenfrontKombinierer zur Rekombination der aus unterschiedlichen Richtungen eintretenden

Strahlenarme ist.

Im Gegensatz zu einer aus dem Stand der Technik bekannten Amplitudenteilung bzw. -rekombination über von einem die Strahlenarme und den Detektorstrahl umfassenden Messstrahl durchdrungene Leitelemente kann zufolge der erfindungsgemäßen Merkmale der Messstrahl im Wesentlichen transmissionsfrei, insbesondere reflektiv und/oder achromatisch geführt werden, wobei es am Strahlenkombinierer zu einer Wellenfrontrekombination bei einem Dissipationsgrad von weniger als 10% kommt, sodass die Amplitude und damit die Strahlungsintensität annähernd gleichbleibt. Daneben werden aufgrund der transmissionsfreien, bevorzugt reflektiven und/oder achromatischen Führung Medienübergänge und damit eine wellenlängenabhängige Brechung oder sonstige intramediale Effekte vermieden, sodass die gesamte, üblicherweise von Ultraviolettbis Terahertzstrahlung reichende, spektrale Bandbreite räumlich kohärenter Strahlungsquellen genutzt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform ist der gesamte Messstrahl, insbesondere der gesamte den Quellstrahl, die Strahlenarme und den Detektorstrahl umfassende Strahlengang transmissionsfrei, insbesondere reflektiv und/oder achromatisch geführt, beispielsweise über Spiegelflächen, die beispielsweise mit Gold oder Silber beschichtet sind und ein Reflexionsvermögen von wenigstens 90% aufweisen. Somit kann ohne probenspezifische Anpassungen nicht nur eine Untersuchung von Proben mit stark unterschiedlichen Absorptionsprofilen, sondern auch mit höheren Schichtdicken, was aufgrund der verbesserten Strahlungs-Materie-Wechselwirkung eine höhere Messgenauigkeit bedingt. Zur Interferogrammerzeugung für eine bestimmte, zu

messende Wellenlänge kann in an sich bekannter Weise die Weglänge eines

die gegebenenfalls über einen schmalbandigen Spektralfilter geführt ist.

Um die für die Untersuchung der Probe nutzbare Strahlungsleistung weiter zu erhöhen, weist der Strahlenteiler in einer bevorzugten Ausführungsform zwei Spiegelflächen auf und lenkt den Quellstrahl in zwei unterschiedliche Richtungen ab. Im Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten Schlitzblenden zur Aufteilung des Quellstrahles ergibt sich durch diese Maßnahme der Vorteil, dass eine höhere Querschnittsfläche des Quellstrahles in die Strahlenarme umgelenkt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform stoßen die Spiegelflächen unmittelbar aneinander, sodass der gesamte Querschnitt des Quellstrahls auf die beiden Strahlenarme aufgeteilt wird. Konstruktive Vorteile ergeben sich dabei, wenn als Strahlenteiler ein auf zumindest zwei aneinandergrenzenden Mantelflächen mit einer Reflexionsschicht versehener Leitkörper vorgesehen ist, wie beispielsweise ein beschichtetes Prisma. In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die beiden, aus dem Strahlenteiler austretenden Strahlenarme in zwei entgegengesetzte Richtungen und vorzugsweise auf derselben Ausbreitungsachse. Dazu können die Spiegelflächen des Strahlenteilers in einem rechten Winkel

zueinander angeordnet sein.

einfachen Ausführungsform kann dieses Leitelement ein Würfel sein.

Um die Messgeschwindigkeit zu erhöhen, ohne dabei Stellgeschwindigkeiten und damit verbundene Vibrationen zu bedingen, kann der Strahlenkombinierer zur relativen Weglängenänderung der Strahlenarme zueinander auf einem beweglichen Träger angeordnet sein. Insbesondere in Verbindung mit zwei aus entgegengesetzten Richtungen am Strahlenkombinierer eintreffenden Strahlenarmen ergibt sich dadurch die Möglichkeit, beide Strahlenarme gleichzeitig und gegensinnig in ihrer Länge zu verändern, sodass sich Bezogen auf die Stellgeschwindigkeit eine erhöhte Messgeschwindigkeit ergibt. Bevorzugt wird der aus dem Strahlenkombinierer austretende Detektorstrahl parallel zur Bewegungsrichtung des Trägers, beispielsweise durch einen Spiegel, umgelenkt, sodass sich aus der Verlagerung des Trägers kein zusätzlicher

Konstruktionsaufwand ergibt. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, wenn

ist.

Zur weiteren Erhöhung der Messgeschwindigkeit bei gleichzeitig einfachem konstruktivem Aufbau kann der Träger entlang der in den Strahlenkombinierer eintretenden Abschnitte der Strahlenarme verlagerbar sein. Zufolge dieser Maßnahme kann nicht nur die Messgeschwindigkeit sowie spektrale Auflösung bezogen auf die Stellgeschwindigkeit des Trägers verdoppelt werden, sondern auch auf zusätzliche Leitelemente zur Umlenkung der Strahlenarme im Bereich des

Strahlenkombinierers verzichtet werden.

Bezogen auf die Stellgeschwindigkeit des Trägers kann bei gleichbleibend einfachen Konstruktionsbedingungen die Messgeschwindigkeit noch weiter erhöht werden, wenn der Strahlenteiler gemeinsam mit dem Strahlenkombinierer auf dem beweglichen Träger angeordnet ist und die zwischen Strahlenteiler und Strahlenkombinierer verlaufenden Strahlenarme über feststehende Spiegelflächen umgelenkt sind. Zufolge der resultierenden Strahlenführung kann die Messgeschwindigkeit sowie die spektrale Auflösung bezogen auf die Stellgeschwindigkeit des Trägers vervierfacht werden, weil eine Verlagerung des Trägers sowohl eine Längenänderung des zu den jeweiligen feststehenden Spiegelflächen hinlaufenden als auch des rücklaufenden Zweiges des betreffenden Strahlenarmes bewirkt. In diesem Zusammenhang empfiehlt es sich, dass der Quellstrahl über ein auf dem Träger angeordnetes Leitelement in Richtung des Strahlenteilers umgelenkt wird, und zwar bevorzugt aus einer parallel zur Bewegungsrichtung des Trägers verlaufenden Richtung. Dadurch wird die Stabilität

und Ausrichtung des am Strahlenteiler aufgeteilten Quellstrahls weiter verbessert.

Obwohl die beiden dem jeweiligen Strahlenarm zugeordneten Teilstrahlen des

Detektorstrahles auch auf anderer Weise zur Bildung eines Interferenzmusters am

angeordnet.

In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand beispielsweise dargestellt. Es

zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Draufsicht und

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Draufsicht einer zweiten Ausführungsform

einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fourier-Transformations-Spektrometrie umfasst einen Strahlenteiler 1 zum Aufteilen eines von einer kontinuierlich emittierenden Strahlungsquelle 2 abgegebenen Quellstrahls 3 in zwei Strahlenarme 4a, 4b. Diese Strahlenarme 4a, 4b werden über einen Strahlenkombinierer 5 zu einem Detektorstrahl 6 rekombiniert. Dieser Detektorstrahl 6 wird auf einen Detektor 7 umgelenkt, der mit einer Recheneinheit 8 verbunden ist, um aus einem bzw. mehreren am Detektor 7 entstehenden Interferogrammen ein Spektrum zu

erzeugen.

Wie der Zeichnung anhand des Strahlengangs schematisch entnommen werden kann, sind der Strahlenteiler 1 als transmissionsfreier Wellenfront-Strahlenteiler und der Strahlenkombinierer 5 als transmissionsfreier Wellenfront-Strahlenkombinierer ausgeführt. Dies bedeutet, dass die Teilung des Quellstrahls 3 in die beiden

Strahlenarme 4a, 4b als auch die Rekombination der beiden Strahlenarme 4a, 4b

Strahlen durch ein Leitelement, erfolgt.

In einer bevorzugten Ausführungsform weißt der Strahlenteiler 1 zwei den Quellstrahl 3 in zwei unterschiedliche, vorzugsweise entgegengesetzte Richtungen ablenkende Spiegelflächen 9a, 9b auf, die beispielsweise mit einer

Reflexionsschicht versehende Mantelflächen eines Leitkörpers 10 sein können.

In analoger Weise kann der Strahlenkombinierer 5 zwei die Strahlenarme 4a, 4b aus zwei unterschiedlichen, vorzugsweise entgegengesetzte Richtungen zum

Detektorstrahl 6 rekombinierende Spiegelflächen 11a, 11b aufweisen.

In der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform weisen die Leitkörper 10 eine dreieckige Grundfläche auf, von der die Spiegelflächen 9a, 9b bzw. 11a, 11b

aufragen und sind beispielsweise als Prismen ausgebildet.

In der in der Fig. 2 dargestellten Ausführungsform weist ein beispielsweise quaderförmiger Leitkörper 10 eine quadratische Grundfläche auf, von der die

Spiegelflächen 9a, 9b bzw. 11a, 11b aufragen.

In Strahlengang, vorzugsweise in dem die Strahlenarme 4a, 4b und den Detektorstrahl 6 umfassenden Messstrahl ist eine Probenaufnahme 12 vorgesehen. Zur Messung einer in der Probenaufnahme 12 angeordneten Probe ist, wie dies in der Fig. 1 dargestellt ist, der Strahlenkombinierer 5 auf einem Träger 13 gelagert, der mit Hilfe eines nicht näher dargestellten Stelltriebs entlang einer Stellrichtung 14 verlagert werden kann. Durch diese Verlagerung entlang der Stellrichtung 14 kommt es zu einer relativen Weglängenänderung der Strahlenarme 4a, 4b zueinander, womit am Detektor 7 bezüglich der zu messenden Wellenlänge ein Interferogramm erzeugt werden kann. In einer bevorzugten Ausführungsform verläuft dabei die Stellrichtung 14 parallel zu den in den Strahlenkombinierer 5 eintretenden

Abschnitten der Strahlenarme 4a, 4b.

1 auf dem gemeinsamen Träger 13 angeordnet.

In beiden Ausführungsformen werden die Strahlenarme 4a, 4b über entgegen dem Träger 13 feststehende Spiegelflächen 15 umgelenkt, wobei an jeder Spiegelfläche

15 deine Umlenkung um 90° erfolgt.

Zur konstruktiven Vereinfachung kann zur Umlenkung des Quellstrahls 3 auf den Strahlenteiler 1 und des vom Strahlenkombinierer 5 ausgehenden Detektorstrahles 6 je ein weiterer Umlenkspiegel 16 vorgesehen sein, der den Quellstrahls 3 aus einer zur Stellrichtung 14 parallelen Richtung bzw. den Detektorstrahl 6 in eine zur

Stellrichtung 14 parallele Richtung um je 90° umlenkt.

Zur Überlagerung der beiden Teilstrahlen des Detektorstrahls 6 kann ein Hohlspiegel 17 vorgesehen sein, der den Detektorstrahl 6 aus einer zur

Stellrichtung 14 parallelen Richtung auf den Detektor 7 umlenkt.

In der in der Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist neben der Strahlungsquelle 2 ein monochromatischer Referenzlaser 18 vorgesehen, dessen Strahl 19 über außerhalb des Quellstrahls 3 bzw. Detektorstrahls 6 angeordnete Umlenkspiegel 20 in einen zu den Strahlenarmen 4a, 4b parallelen Weg ein- bzw. ausgelenkt wird und der auf einen Referenzdetektor 21 für eine exakte Weglängenbestimmung gerichtet

ist.

In der Ausführungsform der Fig. 2 ist dieser Referenzlaser 18 durch eine kurzwellige

Emission der Strahlungsquelle 2 ersetzt.

Claims

(345465.9) IV

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Fourier-Transformations-Spektrometrie unter Verwendung einer breitbandigen, räumlich kohärenten Strahlungsquelle (2) umfassend einen Strahlenteiler (1) zum Aufteilen eines Quellstrahls (3) in zwei Strahlenarme (4a, 4b), einen Strahlenkombinierer (5) zur Rekombination der Strahlenarme (4a, 4b) zu einem Detektorstrahl (6), der auf einen mit einer Recheneinheit (8) verbundenen Detektor (7) gerichtet ist und eine im Strahlengang (3, 4a, 4b, 6) angeordneten Probenaufnahme (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (1) ein Wellenfront-Strahlenteiler ist und dass der Strahlenkombinierer (5) ein transmissionsfreier Wellenfront-Kombinierer zur Rekombination der aus

unterschiedlichen Richtungen eintretenden Strahlenarme (4a, 4b) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (1) zwei den Quellstrahl (3) in zwei unterschiedliche Richtungen

ablenkende Spiegelflächen (9a, 9b) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenkombinierer (5) zwei die aus unterschiedlichen Richtungen eintreffenden Strahlenarme (4a, 4b) zu einem Detektorstrahl (6) kombinierende Spiegelflächen (11a, 11b) aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenkombinierer (5) zur relativen Weglängenänderung der Strahlenarme (4a, 4b) zueinander auf einem beweglichen Träger (13) angeordnet

ist.

Strahlenarme (4a, 4b) verlagerbar ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlenteiler (1) gemeinsam mit dem Strahlenkombinierer (5) auf dem beweglichen Träger (13) angeordnet ist und die zwischen Strahlenteiler (1) und Strahlenkombinierer (5) verlaufenden Strahlenarme 4a, 4b über feststehende

Spiegelflächen (15) umgelenkt sind.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektorstrahl (6) über einen Hohlspiegel (17) auf den Detektor (7)

gerichtet ist.