Optisches Spektrometer

Ein optisches Spektrometer ist ein Spektrometer für den sichtbaren und daran angrenzende Bereiche des elektromagnetischen Spektrums. Mit ihm können sowohl Emissionsspektren (spektrale Untersuchungen von Lichtquellen) als auch Absorptionsspektren und Aussagen zur frequenzabhängigen Reflexion gewonnen werden.

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Aufbau eines Prismen- oder Gitterspektrometers

  Folgender Aufbau ist typisch für ein Gitterspektrometer im VIS- oder 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 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 P abgebildet. Als Empfänger P (siehe auch Strahlungsdetektor) kommen in Frage:

• Fotodioden und Halbleiterdetektoren für den sichtbaren und angrenzende Bereiche und - bei entsprechender Kühlung - auch bis in das mittlere Infrarot (MIR)
• Fotomultiplier für den sichtbaren Bereich und Ultraviolett
• Bolometer und pyroelektrische Sensoren im mittleren und fernen Infrarot

Ein 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 Schnittstellen plus Software.

Varianten

Bei bestimmten Untersuchungen zur Fotoleitung bildet die Probe selbst den Empfänger, so dass eines der Abbildungssysteme und der Fotoempfänger entfallen.

Im MIR (Mittleres Infrarot) 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 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.

FTIR-Spektrometer

Besonders Spektrometer im IR-Bereich arbeiten heute oft nach dem Prinzip eines Interferometers, bei diesen wird das Signal während der Verstellung des Interferometers computergestützt anhand der Fouriertransformation hinsichtlich der enthaltenen Frequenzen ausgewertet. Siehe hierzu FTIR-Spektrometer.

Technische Umsetzungen

• Prismenspektrometer
• Gitterspektrometer
• Echellespektrometer
• Infrarotspektrometer, FTIR-Spektrometer
• Spektrograf