Wir haben unseren 1/4 m Monochromator MS257™ so konzipiert, dass er auch als Spektrograph eingesetzt werden kann. Beim Design eines Monochromators wird der Schwerpunkt auf den Strahlengang einer festen Wellenlänge von Eingangsspalt auf das Gitter und zum Ausgangsspalt gelegt. Licht mit anderen Wellenlängen wird absorbiert. Unabhängig von der Einstellung des Gitters passiert lediglich ein sehr kleiner Winkelbereich um den Beugungswinkel D den Monochromator, idealisiert entspricht dieser Bereich genau einer Wellenlänge.
Am Ausgang eines Spektrographen benutzen wir keinen Spalt, sondern betrachten einen größeren Winkelbereich D und damit den Wellenlängenbereich, der die Gittergleichung für diesen Winkelbereich D erfüllt. Die Optiken unserer Spektrographen sind auf diese Art von Betrachtung optimiert. Der Ausgang wird nicht von einem Spalt, sondern von einem langen Streifen gebildet, über den die Wellenlängen auf bekannte Art aufgefächert sind.
Bandpass
Im Zusammenhang mit Spektrographen wird der Begriff Bandpass für den gesamten Wellenlängenbereich des langen Streifens verwendet, der auf den Detektor fällt. Der Bandpass eines Spektrographen ist also sehr breit und wird lediglich durch die Apertur am Ausgang beschränkt. Für den Einsatz eines Monochromators als Spektrograph ist es allerdings nicht ausreichend, lediglich den Monochromatorspalt zu entfernen und damit eine größere Apertur zu nutzen. In der Regel werden Randstrahlen im Geräteinneren geringfügig fokussiert, womit sich ein gewölbtes Feld in der Ausgangsebene ergibt. Spektrographen sind darauf ausgerichtet, diese Krümmung zu korrigieren. Sie besitzen auf flache CCDs und Diodenarrays abgestimmte flache Ausgangsebenen.
Sehr häufig wird der Bandpass durch die Länge des Detektors begrenzt. Die Ebene am Ausgang des MS257™ ist beispielsweise 28 mm groß, die Standard InstaSpec™ CCDs sind jedoch nur 25,4 mm lang. Daher muss der Bandpass immer in Bezug auf ein bestimmtes Detektorsystem definiert werden, z.B. "82 nm mit einem 1-Zoll-Array".
Auflösung
Die Auflösung eines Spektrographen ist in der Regel durch die Breite des Eingangsspalts bestimmt. Jedoch wird die Auflösungsgrenze erreicht, wenn die Breite des Eingangsspalt auf die Breite eines einzelnen Pixels im Detektorarray reduziert wird. Nach der Nyquist-Sampling-Theorie muss die Auflösung auf Basis von zwei Pixeln berechnet werden. Die Auflösungsgrenze des Spektrographen 77700 mit 25 mm Pixel Diodenarray läge danach bei etwa 0,2 nm. Dies entspricht einer Verdopplung der 0,1 nm Grenze desselben Gerätes bei Einsatz als scannender Monochromator mit 25 mm Spalt.
Obwohl sich durch die Wahl von Arrays mit sehr kleinen Pixeln wie z.B. unserem LineSpec™ CCD Verbesserungen erzielen lassen, erreichen die meisten Geräte eine durch Abberation begrenzte Auflösung mit 10 - 25 mm Eingangsspalten. Schmalere Spalte und/oder kleinere Pixel reduzieren lediglich den Durchsatz des Systems.
Streulicht
Streulicht kann für eine Kombination von Spektrograph und Detektorarray ein weitaus größeres Problem darstellen als für scannende Monochromatoren: Arrays stellen für Streulicht ein räumlich größeres Ziel dar, da kein Ausgangsspalt den Detektor abschirmt. Ein Teil des Signals wird als Streulicht vom Detektor reflektiert. Zudem ist der dynamische Bereich eines Arrays typischerweise kleiner als der eines Einzeldetektors.
Das Streulichtverhalten von Spektrographen lässt sich nur schwer charakterisieren. Wie bei Monochromatoren führen Schwankungen des Spektrums der Lichtquelle, das gewählte Gitter und der Signaltyp zur Entstehung von Streulicht. Daneben tragen Struktur des Arrays, Wellenlängenbereich und interne Spiegelreflexionen zu unterschiedlichem Verhalten des Spektrographen bei.
Alle Oriel Spektrographen sind auf geringes Streulicht ausgelegt. Bei der Entwicklung der Spektrographen MS260i™, MS127i™ und des Abbildenden Spektrographen MS257™ wurden Designregeln zur Eliminierung von wiedereintretenden Spektren beachtet. Wiedereintretende Spektren sind darauf zurückzuführen, dass bereits gebeugte Strahlung vom Detektor oder von einem der Spiegel zurück auf das Gitter reflektiert wird, wo sie erneut gebeugt und dann auf den Array fokussiert wird. Ohne korrekte Eliminierung entstehen Geisterbilder, die bei Änderung der Wellenlänge wandern oder wieder verschwinden können.
"Abbildende" Spektrographen
Der Begriff “Abbildender Spektrograph” wird je nach Anwendungsgebiet in unterschiedlichen Bedeutungen verwendet. Hier ist die Punkt-zu-Punkt Abbildung des Eingangsspalts auf die Ausgangsebene des Spektrographen gemeint. Dieses Konzept kann am besten mit einem Vergleich erklärt werden: Aus Gründen der Vereinfachung sei die Strahlungsquelle monochromatisch und werde im Öffnungsverhältnis F/# des Geräts auf den Eingangsspalt fokussiert. Bei einem konventionellen Spektrographen wird eine solche Strahlungsquelle in Abhängigkeit von der Wellenlänge auf eine schmale, vertikale Linie in der Ausgangssebene abgebildet. Wird die Hälfte des Eingangsspalt eines konventionellen Monochromators abgedeckt, verändern sich die Abmessungen der Abbildung am Ausgangsspalt kaum; lediglich die Intensität sinkt. Ein abbildender Spektrograph hingegen bildet die Strahlungsquelle so auf die Ausgangsebene ab, dass der fokussierte Punkt Gestalt und Intensitätsverteilung des Eingangsspalts annimmt. Wird die Hälfte des Eingangsspalts eines abbildenden Systems abgedeckt, verschwindet die Hälfte der Abbildung. Aufgrund dieser räumlichen Beziehung zwischen Eingang und Ausgang eignen sich Abbildende Spektrographen sehr gut für die gleichzeitige Messung mehrerer Proben. In Abb. 1 sind die Abbildungen zweier monochrom strahlender Faseroptiken von der Eingangsebene eines konventionellen Spektrographen der Abbildung derselben Lichtwellenleiter von der Eingangsebene eines Abbildenden Spektrographen wie z.B. unserem MS257™ gegenüber gestellt.
Abb. 1 Monochromatisches Licht zweier Fasern in den jeweiligen Ausgangsebenen.Räumliche Auflösung
Die räumliche Auflösung ist die Fähigkeit eines Abbildenden Spektrographen, zwischen zwei senkrecht zur Spektralachse stehenden Elementen zu unterscheiden. Für die räumliche Auflösung gibt es keinen Standardmesswert. Einige Hersteller geben die Anzahl voneinander unabhängiger Faserlichtquellen an, die aufgelöst werden können, jedoch ist dieses Maß vom Faserdurchmesser abhängig und kann nicht ein Übersprechen zwischen Nachbarkanälen beschreiben.
Der beste Messwert ist die aberrationsbegrenzte räumliche Auflösung. Diese Größe ist definiert als FWHM (Halbwertsbreite) des kleinsten, auflösbaren Elements. Bei Verwendung einer mit der F-Zahl des Gerätes beleuchteten Punktquelle (in der Regel eine 10-25 mm Lochblende) beträgt die räumliche Auflösung für den 77702 Abbildenden Spektrographen 40 mm.