Innovatives Spektrometer

Innovatives Spektrometer mit niedriger Divergenz

Prinzipskizze eines Spektrometers mit kleinem Divergenzwinkel.
© Fraunhofer IST, Falko Oldenburg

Prinzipskizze eines Spektrometers mit kleinem Divergenzwinkel.

Vergleich der Transmissionsspektren einer scharfen Struktur bei unterschiedlichen Divergenzwinkeln (0,25 ° – 0,88 ° – 1,15 ° – 1,63 ° – 2,06 °).
© Fraunhofer IST

Vergleich der Transmissionsspektren einer scharfen Struktur bei unterschiedlichen Divergenzwinkeln (0,25 ° – 0,88 ° – 1,15 ° – 1,63 ° – 2,06 °).

Vergleich der Halbwertsbreiten von Transmissionsmessungen einer scharfen Struktur bei unterschiedlichen Divergenz­winkeln (0,25 ° – 0,88 ° – 1,15 ° – 1,63 ° – 2,06 °).
© Fraunhofer IST

Vergleich der Halbwertsbreiten von Transmissionsmessungen einer scharfen Struktur bei unterschiedlichen Divergenz­winkeln (0,25 ° – 0,88 ° – 1,15 ° – 1,63 ° – 2,06 °).

Mit Hilfe von Dünnschichttechnologien können für Industrie und Technik notwendige Interferenzfilter hergestellt werden. Das Anwendungspotenzial dieser Filter reicht dabei von der einfachen Entspiegelung von Brillengläsern über digitale Projektionstechnik bis hin zur speziellen Laseranwendung. An das Filterspektrum werden jedoch häufig hohe Anforderungen gestellt, sodass die Charakterisierung der Spezifikationen, wie z. B. der Halbwertsbreiten, entscheidend für die Qualitätsuntersuchung ist. Wichtige Parameter des Spektrometers für die Vermessung optischer Interferenzfilter sind unter anderem die spektrale Bandbreite und der Divergenzwinkel des Messstrahls. Beide Größen beeinflussen die Breite feiner Strukturen im Spektrum eines Interferenzfilters und limitieren dadurch bei herkömmlichen Spektrometern das Auflösungsvermögen spektral steiler Kanten. Am Fraunhofer IST wurde daher im Rahmen des BMBF-Verbundvorhabens »DAHLIA« ein Spektrometer mit geringerem Divergenzwinkel aufgebaut.

Das neu entwickelte Spektrometer im Messaufbau

Mit dem nachfolgend vorgestellten Spektrometer ist es möglich, die Transmission in einem Wellenlängenbereich von 240 bis 1000 nm winkelabhängig mit einem Divergenzwinkel von 0,25 ° zu messen. Im Vergleich zu einem kommerziellen Spektrometer ist der eingestellte Divergenzwinkel um den Faktor 10 reduziert. Der Monochromator kann bei den Messungen mit einer minimalen spektralen Bandbreite von 0,06 nm eingestellt werden. Da der Messstrahl des Spektrometers für die Messungen eine möglichst hohe Intensität bei einem geringen Divergenzwinkel besitzen muss, wird bei dieser Messkonfiguration eine Xenonbogenlampe als Lichtquelle verwendet. Im Gegensatz zu anderen Lichtquellen verfügt diese über eine vergleichsweise kleine Lichtaustrittsfläche und eine hohe Leuchtdichte. Über ein Spiegel- und Blendensystem wird ein polychromatischer Messstrahl mit einer niedrigen Divergenz generiert. Dieser Messstrahl wird nach dem Durchlaufen des Interferenzfilters in einen Monochromator mit einem hochauflösenden Gitter eingekoppelt und mit einem rauscharmen Detektor erfasst. Der Messaufbau ist ausgestattet mit einem Chopper und kann dadurch optische Dichten von bis zu 4 vermessen.

Testmessungen bei unterschiedlichen Divergenzwinkeln

Um die Verbreiterungen der Strukturen in Abhängigkeit zum Divergenzwinkel zu zeigen, wurde eine scharfe Transmissionsstruktur eines Interferenzfilters näher untersucht. Der Filter ist mit einer spektralen Bandbreite von 0,5 nm und einem Einfallswinkel von 45 ° bei den Divergenzwinkeln 0,25 ° – 0,88 ° – 1,15 ° – 1,63 ° – 2,06 ° vermessen worden (vgl. nebenstehendes Diagramm oben). Bei der Untersuchung der Breiten der einzelnen Peaks wurde ein quadratischer Zusammenhang von Halbwertsbreite und Divergenzwinkel festgestellt. Die Ergebnisse aus diesem Versuch sind in dem unteren Diagramm dargestellt. Um Bandpassfilter mit kleinen Halbwertsbreiten oder Langpassfilter mit spektral steilen Kanten zu charakterisieren, werden daher Messstrahlen mit kleinem Divergenzwinkel benötigt.

Ausblick

Der Messbereich der optischen Dichte soll zukünftig zur Auf­lösung noch geringerer Intensitäten erweitert werden. Dadurch können z. B. auch schmale Notchfilter mit sehr hoher Blockung (> OD 7) charakterisiert werden.

 

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