Entfernen Sie effektiv höhere Gitterordnungen in Ihrem Spektrometer
Optimale Ordnungsfilter für Spektrometer
Dioden-Detektor-Array-Spektrometer (DDA) sind weit verbreitet, da sie kompakte, robuste und relativ preiswerte Instrumente für die Spektralanalyse ermöglichen. Aufgrund dieser Vorteile werden DDAs häufig im Bildungswesen, in der Industrie und in Außenbereichen eingesetzt, wo Tragbarkeit, Robustheit und Stabilität von entscheidender Bedeutung sind. Die spektral selektive Komponente in einem DDA ist ein Beugungsgitter, das das Spektrum über eine Reihe von Photodetektoren verteilt. Eine grundlegende Eigenschaft von Beugungsgittern ist, dass sie mehrere „Kopien“ (so genannte Ordnungen) der Wellenlänge in mehrere verschiedene Winkel aufteilen. Diese mehrfachen Ordnungen werden problematisch, wenn das erfasste Spektrum mehr als eine Oktave umfasst. In diesem Fall überschneiden sich die Ordnungen und es ist daher schwierig, das erfasste Spektrum zu interpretieren. Die Lösung besteht darin, im Spektrometer unmittelbar vor dem Detektor so genannte Ordnungsfilter einzusetzen. Ein oder mehrere einfache Sperrfilter können höhere Ordnungen entfernen, führen aber zu undefinierten Spektralbereichen um die Filterübergänge herum. In dieser technischen Mitteilung wird beschrieben, wie kontinuierlich variable Ordnungsfilter (CVOSF) höhere Ordnungen effektiv und mit minimaler Einführung von undefinierten Spektralbereichen entfernen.
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Wie ein Diodenarray-Spektrometer funktioniert
Abbildung 1 zeigt einen typischen Aufbau eines Spektrometers. Breitbandiges Licht tritt innerhalb einer bestimmten numerischen Apertur in den Eingangsspalt ein und wird durch einen Spiegel kollimiert. Das Beugungsgitter bricht die verschiedenen Wellenlängen in unterschiedlichen Winkeln, die dann auf die Photodetektoranordnung fokussiert werden. Auf diese Weise entspricht eine bestimmte Stelle auf dem Detektorarray einer bestimmten Wellenlänge. Normalerweise ist das Spektrometer so ausgelegt, dass es die Beugung 1. Ordnung des Gitters nutzt, wie im nächsten Abschnitt erläutert wird.
Höhere Ordnungen des Beugungsgitters
Ein Beugungsgitter ist eine periodische Struktur, bei der die Periode in der gleichen Größenordnung wie die Wellenlänge liegt. Wenn Licht mit einer Wellenlänge λ unter einem Winkel α auf die Oberfläche des Gitters fällt, beugt das Gitter das Licht nur in bestimmte Richtungen βm (sogenannte Ordnungen), wie in Abbildung 2 dargestellt.
Die Beugung wird durch die Gittergleichung bestimmt:
sin(α)+sin(β_m (λ))=mλG
Dabei ist α der Einfallswinkel, βm der Beugungswinkel, m die Ordnung, λ die Wellenlänge und G die Rillendichte. Der Beugungswinkel ist, wie aus Gleichung 1 ersichtlich, wellenlängenabhängig, was bedeutet, dass ein Spektrum aus breitbandigem Licht winkelmäßig getrennt werden kann, wie in Abbildung 3 dargestellt.
Wenn das gemessene Licht mehr als eine Oktave abdeckt (β2 > 2β1), überschneiden sich die Spektren der Beugungsordnungen, wie in Abbildung 4 für die erste und zweite Ordnung dargestellt.
Wie höhere Ordnungen das Spektrum in einem DDA beeinflussen
Die sich überschneidenden Spektren der Beugungsordnungen stellen in einem Spektrometer ein großes Problem dar. Abbildung 5 veranschaulicht dies anhand eines einfachen Beispiels. Das Eingangssignal ist monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von λ1. Daher sollte man erwarten, dass das Spektrometer nur einen einzigen Peak bei dieser Wellenlänge anzeigt. Aufgrund der Beugung 2. Ordnung gibt es jedoch einen zweiten Peak, der bei einer Wellenlänge von 2λ1 zu liegen scheint. Bei einer realen Messung ist es im Allgemeinen unmöglich zu erkennen, ob der zweite Peak ein echter Peak ist, der vom Licht bei 2λ1 stammt, oder ob es sich nur um Licht zweiter Ordnung von λ1 handelt. Aus diesem Grund ist es wünschenswert, alle höheren Ordnungen zu entfernen, bevor sie den Detektor erreichen. Das in Abbildung 6 dargestellte Ordnungsdiagramm ist nützlich, um sich einen Überblick über die Lage der Ordnungen auf dem Detektor in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu verschaffen. Die vertikale Achse ist die Wellenlänge und die horizontale Achse ist die entsprechende Position auf dem Detektor. Bei 300 nm beispielsweise befindet sich die erste Ordnung bei 6,3 mm, die zweite Ordnung bei 14,5 mm und die dritte Ordnung bei 23,3 mm.
Ordnungsfilter
Eine gängige Methode zur Entfernung von Spektren höherer Ordnung in DDAs ist das Einfügen eines Ordnungsfilters (OSF) vor dem Detektorarray, wie in Abbildung 7 dargestellt.
Der einfachste Typ eines Ordnungsfilters ist ein homogener blockierender Filter, der den oberen Teil des Detektors abdeckt. Im Allgemeinen ist es möglich, ein einziges homogenes OSF zu verwenden, wenn nur die erste und zweite Ordnung vorhanden sind, d. h. wenn 2λ1 < λ2 < 3λ1. Der Ordnungsfilter, der ein Langpassfilter mit einer Filterkante bei λedgeist, kann bequem in das Ordnungsdiagramm eingezeichnet werden, wie in Abbildung 8 dargestellt. Die physikalische Kante xedge des Ordnungsfilters sollte genau unter dem Beginn der zweiten Ordnung x(2λ1) liegen und die Wellenlängen der zweiten Ordnung blockieren, während die erste Ordnung durchgelassen wird.
Wenn der Wellenlängenbereich λ1 bis λ2 breiter ist, so dass 3λ1 < λ2 < 6λ1, werden zwei homogene Ordnungsfilter benötigt, wie in Abbildung 9 dargestellt.
From the order location diagrams it is obvious that the ideal order sorting filter would be a Long Wave Pass filter where the wavelength edge increases continuously with the position on the detector. This is possible using a suitable Continuously Variable Long Wave Pass Filter (CVLWP) as shown on Figure 10.
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Kanteneffekte von Filtern
Wie im vorigen Abschnitt beschrieben, weisen Ordnungsfilter in der Regel einen oder mehrere physische Übergänge zwischen Filterregionen auf. Licht, das auf diese Übergänge trifft, wird durch eine Kombination aus Beugung, Brechung sowie spiegelnden und diffusen Reflexionen verzerrt, was zu einer Verzerrung des Spektrums direkt unterhalb der physikalischen Filterkante führt, wie in Abbildung 11 schematisch dargestellt.
Im theoretischen Grenzfall, in dem die Filterkante scharf und wohldefiniert wie eine Messerkante ist, wäre das Muster eine recht breite Modulation des Spektrums, aber im praktischen Fall wird das Muster unvorhersehbarer sein. Je größer der Abstand d zwischen dem Filter und der Anordnung der Fotodetektoren ist, desto größer ist die Störung. Die Dicke und Oberflächenstruktur der Filterkante sowie die Winkelspanne des einfallenden Lichts wirken sich ebenfalls auf die spektrale Störung aus.
Implementierungen von Ordnungsfiltern
Ordnungsfilter können entweder als Farbfilter oder als Interferenzfilter implementiert werden, wie in Abbildung 12 dargestellt.
Farbglasfilter
Farbglasfilter bestehen in der Regel aus einem Farbstoff, der in ein Substratmaterial eingearbeitet ist. Diese Filter funktionieren, indem sie Teile des Spektrums absorbieren und andere durchlassen. So lässt beispielsweise ein rotes Glas Wellenlängen oberhalb von etwa 600 nm durch, während es Wellenlängen unterhalb von 600 nm absorbiert. Die Absorption und Transmission hängen von der Dicke des Filters ab. Der Hauptvorteil eines Farbfilters besteht darin, dass er das unerwünschte Licht absorbiert, was bedeutet, dass weniger Streulicht im Spektrometer zu berücksichtigen ist. Farbfilter haben jedoch mehrere Nachteile. Erstens sind die darstellbaren Kantenwellenlängen durch die verfügbaren Farbstoffe begrenzt. Außerdem führt der physikalische Schnitt oder die Schnittkante des millimeterdicken Filterglases in der Regel zu einem relativ breiten undefinierten Spektralbereich, wie im vorherigen Abschnitt erläutert.
Homogene Interferenzfilter
Interferenzfilter bestehen aus vielen dünnen Schichten dielektrischer Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex und unterschiedlicher Dicke auf einem Glassubstrat. Wie der Name schon sagt, funktioniert ein Interferenzfilter, indem es Wellenlängen mit konstruktiver Interferenz im dielektrischen Stapel durchlässt, während die übrigen Wellenlängen reflektiert werden. Der Hauptvorteil von Interferenzfiltern besteht darin, dass sie genau so entworfen und hergestellt werden können, wie es für eine bestimmte Anwendung erforderlich ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass die physische Kante des Filters genauer kontrolliert werden kann, was zu weniger Problemen mit undefinierten Spektralbereichen führt. Es sei darauf hingewiesen, dass das blockierte Licht in einem Interferenzfilter reflektiert wird. Dies kann im Vergleich zu Farbfiltern als Nachteil angesehen werden, da das reflektierte Licht zu zusätzlichem Streulicht im Spektrometer führen kann.
Kontinuierlich variable Filter
Kontinuierlich variable Langpassfilter (Continuously Variable Long Wave Pass Filter, CVLWP) werden als Interferenzfilter eingesetzt, bei denen die Kantenwellenlänge entlang der Länge des Substrats variiert. Die Filter werden durch kontinuierliche Erhöhung der Dicke des Filters von einem Ende des Substrats zum anderen realisiert. Der CVLWP kann sich über den gesamten Wellenlängenbereich erstrecken (wie in Abbildung 10 dargestellt), so dass der Filter überhaupt keine Randeffekte aufweist. In anderen Situationen, typischerweise bei Spektrometern, die einen Teil des UV-Spektrums abdecken, weist der CVLWP-Filter einen kleinen physikalischen Rand auf, wie in Abbildung 12 c) dargestellt. Da die Dicke des Filters an der Kante jedoch recht gering ist, ist die spektrale Verzerrung im Allgemeinen geringer als bei homogenen Filtern.
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Delta Optical Thin Film ist der weltweit führende Anbieter von kontinuierlich variablen Filtern für den Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1200 nm. Wir haben Tausende von CVLWP-Filtern für einige der führenden Anbieter von Diodenarray-Spektrometern hergestellt.
Weitere Details zu unseren kontinuierlich variablen Ordnungsfiltern finden Sie auf unserer Webseite.
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