imported>131Platypi: /* Aufbau eines Prismen- oder Gitterspektrometers */ Ist nur Weiterleitung auf genau diesen Artikel

2025-07-15T10:12:51Z

Aufbau eines Prismen- oder Gitterspektrometers: Ist nur Weiterleitung auf genau diesen Artikel

Neue Seite

Ein '''optisches Spektrometer''' ist ein [[Spektrometer]] für [[sichtbares Licht]] und daran angrenzende Bereiche des [[Elektromagnetisches Spektrum|elektromagnetischen Spektrums]]. Mit ihm können sowohl [[Emissionsspektrum|Emissionsspektren]] (spektrale Untersuchungen von Lichtquellen) als auch [[Absorptionsspektrum|Absorptionsspektren]] und Aussagen zur frequenzabhängigen [[Reflexion (Physik)|Reflexion]] gewonnen werden.

== Aufbau eines Prismen- oder Gitterspektrometers ==
[[Datei:Spektrometer1.png|hochkant=2|mini|Spektrometer zur Untersuchung der Reflexion einer Probe im Magnetfeld]]
Folgender Aufbau ist typisch für ein Gitterspektrometer im [[Lichtspektrum|VIS]]- oder [[Nahinfrarotspektroskopie|NIR]]-Bereich:

Eine ''Lichtquelle'' LQ, je nach Wellenlängenbereich z. B.:
* Xenon-Hochdrucklampe ([[Gasentladungslampe]], sichtbarer Spektralbereich und angrenzende Bereiche)
* [[Halogenglühlampe]] (sichtbar bis MIR)
* durchstimmbare [[Laser]] (Abbildungsoptik und Monochromator können entfallen)

Ein ''Abbildungssystem'' (im Bild zwei Spiegel) bildet die Lichtquelle LQ auf den [[Schlitzblende|Monochromatoreintrittsspalt]] ab. Ein justierbarer [[Monochromator]] M dient zum Einstellen der hindurchtretenden [[Wellenlänge]]. Er wird z. B. durch einen Schrittmotor angetrieben und liefert auch den Wert der Wellenlänge zur Auswertung.

Mit einem weiteren Abbildungssystem L1, L2 wird die Strahlung vom Monochromatoraustrittsspalt auf die Probe fokussiert.

Die zu untersuchende Probe P ist im Bild beispielsweise ein Reflektor. In anderen Fällen wird eine Probenkammer ([[Küvette]]) durchstrahlt oder die Lichtquelle selbst ist das zu untersuchende Objekt.

Mit dem Abbildungssystem L3, L4 wird das Signal auf einen ''Fotoempfänger'' PM abgebildet. Als Empfänger PM (siehe auch [[Strahlungsdetektor]]) kommen in Frage:
* [[Fotodiode]]n und [[Halbleiterdetektor]]en für den sichtbaren und angrenzende Bereiche und – bei entsprechender Kühlung – auch bis in das mittlere Infrarot (MIR)
* [[Fotomultiplier]] (PM) für den sichtbaren Bereich und [[UV|Ultraviolett]]
* [[Bolometer]] und [[Pyroelektrischer Effekt|pyroelektrische]] Sensoren im mittleren und fernen Infrarot

Ein ''Registrier- und Analysesystem'' führt die momentanen Werte von Monochromator-Wellenlänge und Empfängersignal zusammen, stellt sie in einer Messkurve dar und analysiert sie. Heute ist dies meist ein [[Computer]] mit entsprechenden [[Schnittstelle]]n plus [[Software]].

== Kompaktspektrometer ==
Es werden kompakte Geräte angestrebt, die einfach in beliebige Anwendungen eingesetzt werden können. Dabei soll auf alle beweglichen Teile verzichtet werden, was die benötigte Baugröße stark reduziert und auch die Reproduzierbarkeit der Messungen verbessert. Das wird erreicht, indem das in Farben zerlegte Licht von einer [[Photodiodenzeile]] empfangen und ausgewertet wird, wobei jeder einzelne Sensor für einen bestimmten Wellenlängenbereich (immer denselben) da ist. Die Messwerte für das komplette Spektrum liegen also parallel an den Einzelsensoren vor. Teile der Abbildungsoptik sind manchmal als [[Faseroptik (Bauelement)|Faseroptik]] ausgeführt.<ref>{{Patent| Land=WO| V-Nr=2004070329| Code=A2| Titel=Kompakt-Spektrometer|A-Datum=2003-12-19| V-Datum=2004-08-19| Anmelder=Carl Zeiss Jena GmbH| Erfinder=Felix Kerstan et al}}</ref><ref>{{Webarchiv |url=http://www.laser2000.de/out/media/STE_Presentation.pdf |text=''Spektroskopie mit Kompaktspektrometern'' |wayback=20140307070343 }} (Firmenschrift, PDF-Datei, 1,3 MB)</ref>

Das hat gewisse Folgen für den Aufbau:
* Da hinter dem dispergierenden Element (weiterhin Prisma oder Gitter) der Strahl für jede Wellenlänge woanders verläuft, muss eine zu messende Probe unbedingt vor diesem Element in den [[Strahlengang]] eingefügt werden – beispielsweise eine Flüssigkeit in einer [[Küvette]]. Weiterhin ist eine Bauweise sowohl für Transmission als auch Reflexion möglich.
* Kompliziertere Elemente im Strahlengang wie beispielsweise bestimmte Modulatoren oder Hochfeldmagnete oder [[Kryostat]]en sind hierbei jedoch kaum einsetzbar.
* Die primäre Lichtquelle wird ebenfalls mit integriert. Wahlweise kann sie als wechselbarer Baustein angeflanscht werden.
* Das Auswertesystem muss angepasst werden, wird aber eher einfacher als komplizierter.
* Das ganze Gerät kann als kompakte, hermetisch geschlossene Box (ggf. mit Zugang für eine Probenschleuse) ausgeführt werden.

== FT-Spektrometer ==
FT-Spektrometer arbeiten nach dem Prinzip eines [[Interferometer]]s, bei diesen wird das Signal während der Verstellung des Interferometers computergestützt anhand der [[Fouriertransformation]] (FT) hinsichtlich der enthaltenen Frequenzen ausgewertet. Hauptvorteil der FT-Spektrometer ist die geringere Messzeit, da im Gegensatz zu dispersiven Systemen (Prismen- oder Gitterspektrometer) die Probe nicht Schritt für Schritt mit einer sich ändernden Frequenz bestrahlt werden muss. Eingesetzt werden diese Spektrometer vor allem im [[Infrarot]]bereich (''siehe auch:'' [[FTIR-Spektrometer]]), auf dem Markt sind aber auch FT-Spektrometer für andere spektroskopische Verfahren wie die [[Raman-Spektroskopie]] erhältlich.

== Varianten ==
Bei bestimmten Untersuchungen zur [[Photoelektrischer Effekt|Fotoleitung]] bildet die Probe selbst den Empfänger, so dass eines der Abbildungssysteme und der Fotoempfänger entfallen.

Im MIR und Ultraviolett ab etwa 200 nm müssen die Abbildungen mit Hohlspiegeln (z. B. Aluminium auf Glas) erfolgen, da Glas nicht mehr transparent ist. Spiegel haben überdies den Vorteil einer wellenlängenunabhängigen Abbildungsgeometrie, während Linsen ohne Nachstellung nur für einen jeweils engen Spektralbereich verwendbar sind.

Zwischen Lichtquelle und Monochromator wird oft noch ein [[Modulator (Optik)|Modulator]] angeordnet, um bei der Auswertung des Empfängersignals das Signal besser vom Umgebungslicht abgrenzen zu können. Der Modulator kann z. B. ein [[Polarisationsmodulator]] oder eine einfache Chopperscheibe sein.

Es gibt auch Spektrometer mit einem [[Polychromator]], die das Spektrum nicht sequenziell durchscannen, sondern simultan aufnehmen. Dabei wird das dispergierende bzw. brechende Element erst hinter der Probe angeordnet und das Spektrum von einer [[Zeilenkamera]], also einer linearen Anordnung von Fotodioden, simultan empfangen, so dass die Auswerteelektronik nur noch diese Reihe von Empfängern abfragen und registrieren muss. Siehe auch [[Diodenarraydetektor]].

Echelle-Polychromatoren verwenden Flächendetektoren zur Auswertung des Spektrums.

== Anwendungen ==
Optische Spektrometer werden vorwiegend zur [[Festkörperspektroskopie]] eingesetzt:
* [[Reflexionsspektroskopie|Reflexionsspektren]] werden aufgenommen, indem ein Spektrum des [[Reflexionsgrad]]es mit der Probe gemessen wird und anschließend ein Spektrum, bei dem die Probe durch einen Referenz[[spiegel]] mit bekanntem Reflexionsspektrum ersetzt ist. Als Referenzspiegelmaterial eignet sich für sichtbares Licht und Infrarot [[Aluminium]] (aufgedampft auf Glas), das ohne starke Strukturierung in diesem Wellenlängenbereich einen Reflexionsgrad von nahe 1 erreicht.
* Transmissions- bzw. [[Absorption (Physik)|Absorptionsspektren]] werden aufgenommen, indem das zu untersuchende Material am Ort einer Zwischenabbildung in den Strahlengang eingebracht wird. Dieses Spektrum wird dann mit einem Referenzspektrum ganz ohne Probe verglichen.
* Bei [[Photoelektrischer Effekt#Innerer photoelektrischer Effekt|Fotoleitungsspektren]] wird die Probe als Empfänger benutzt. Als Referenz muss man hier die Probe durch einen Empfänger mit bekanntem Spektralgang ersetzen.

Zumindest die Absorptionsmessungen können per [[Küvette]] auch an Flüssigkeiten und im Extremfall an Gasen durchgeführt werden.

Je nach Details der Fragestellungen werden verschiedene [[Modulator (Optik)|optische Modulatoren]] eingesetzt, um ein Wechsellichtsignal zu erhalten, das gewisse (beispielsweise [[Magnetooptik|magnetooptische]]) Eigenschaften der Probe gezielt anspricht und das als [[elektrisches Signal]] nach dem Empfänger besser weiterverarbeitet werden kann (beispielsweise per [[Lock-in-Verstärker]]).

== Technische Umsetzungen ==
* [[Prismenspektrometer]]
* [[Gitterspektrometer]]
* [[Echellespektrometer]]
* [[Spektrograf]]
* [[Littrow-Spektrometer]]

== Einzelnachweise ==
<references />

[[Kategorie:Optische Messtechnik]]
[[Kategorie:Spektroskopie]]

Optisches Spektrometer - Versionsgeschichte

imported>131Platypi: /* Aufbau eines Prismen- oder Gitterspektrometers */ Ist nur Weiterleitung auf genau diesen Artikel