Monocromatori e rivelatori

Equazione di Bragg e realizzazione dei reticoli di diffrazione

V0 17.458 17.458 (Littrow) equazione di Bragg d(senβ + senα) = nλ .10 12.526 22.526 Ricavando da quest’ultima n → n = d(senβ + senα)/λ e20 7.736 27.736 sostituendolo nella R =nN si ottiene: R = Nd(senβ + senα)/λ ;24 5.861 29.861 ma Nd = L, quindi si ottiene R = L(senβ + senα)/λ .30 3.094 33.094 Ad esempio per un reticolo di 100 mm con 1200 incisioni/mm40 -1.382 38.61850 -5.670 44.330 che ha quindi un numero totale di incisioni pari a 120000 perla diffrazione del 1° ordine (n=1) la risoluzione = 120000. Effettuando il calcolo tramite l’ultimaequazione a 500 nm per una differenza angolare di 10 cm, R = 100mm·(sen12.526 + sen22.526)/-4 -4 -4/5·10 mm ; R = 100mm(0.2169 + 0.3831)/5·10 mm = 100mm·0.6/5·10 mm = 120000.Realizzazione dei reticoli di diffrazioneI primi reticoli di diffrazione fatti per uso commerciale (quindi da fabbriche specializzate) eranoincisi

meccanicamente da una punta di diamante sopra uno strato sottilissimo di metallo depositato su una superficie piana (o concava a seconda dell'utilizzo finale). Questo metodo persiste anche oggi e molti reticoli usati in spettroscopia vengono realizzati mediante processo meccanico. L'apparato più importante, nella produzione di reticoli incisi meccanicamente, è quindi la macchina che sposta il diamante relativamente al substrato. I diamanti stessi vengono selezionati e tagliati in maniera particolare in modo da incidere un solco caratterizzato da un ben preciso profilo. Il profilo dell'incisione ad esempio può essere modellato in maniera da rendere massima l'intensità delle righe per un certo ordine spettrale (blazing). Il carrello che muove la punta di diamante deve riuscire a mantenere la sua posizione con precisioni sub-micrometriche. Le tecniche usate per mantenere il carrello sotto controllo sono di tipo interferometriche.

Con l'utilizzo di laser. Per raggiungere l'alta risoluzione tipica dei reticoli di qualità è necessario che questo passo sia mantenuto con precisione sub-micrometrica (si arriva anche a qualche nano-metro). Gli ambienti in cui alloggiano queste macchine sono termostatati al decimo se non addirittura al centesimo di grado nell'arco di varie settimane (per incidere un reticolo di passo 21000 linee/mm di 5x5 cm, il diamante usato per l'incisione compie un percorso di 2.5 Km! Il tempo necessario per questa operazione è conseguentemente elevato, dell'ordine dei giorni se non addirittura di settimane.) Le macchine stesse inoltre sono montate su supporti anti-vibranti che riducono le vibrazioni trasmesse al macchinario a valori inferiori al micron. I reticoli che si possono ottenere con questo tipo di macchine sono caratterizzati da passi che vanno da 202 linee/mm fino a 10000 linee/mm su superfici anche molto estese (fino a 20 x 20 cm).

Realizzazione dei reticoli olografici

Oltre a questa procedura esiste anche la tecnica olografica per ottenere un reticolo. Il principio di funzionamento si basa sul fenomeno dell'interferenza. Quando due onde piane di luce coerente monocromatica di uguale intensità e lunghezza d'onda si intersecano con un angolo 2θ, danno luogo alla formazione di frange di interferenza. La distribuzione dell'intensità è quindi caratterizzata da una serie di linee scure e linee chiare. La spaziatura tra due massimi (o due minimi) è data da: d = λ/(2·sinθ), dove θ è la metà dell'angolo di apertura tra i due fasci.

Sul substrato posto perpendicolarmente a questi piani si ritrova un profilo d'interferenza che varia sinusoidalmente tra massimi e minimi. L'applicazione di una speciale resina fotosensibile (photoresist) consente di fissare questo profilo. La successiva incisione chimica lascia delle

Scanalature nelle zone non esposte. Anche in questo caso è necessario uno stretto controllo sui gradienti di temperatura in aria oltre alla ovvia necessità di ridurre il più possibile la presenza di polveri (camere pulite classe 1000 o meglio).

Fonte: Zeiss - Mechanical ruling Echelette gratings with sawtooth (dente di sega) groove profiles.

The large groove faces of echelette gratings reflect most of the light in the diffraction direction determined by the groove spacing, i.e. the grating constant, a property which is termed the blaze effect. The wavelength of maximum grating efficiency, the blaze wavelength, is determined by the angle of the groove faces. This wavelength can be set as required in ruled gratings. The high-precision groove profiles of Zeiss gratings ensure a high efficiency over a wide spectral range.

Mechanically ruled gratings- virtually free of ghosts and straylight. Periodic errors cause grating ghosts which may be due to irregular operation of the

The Zeiss ruling engines are interferometrically controlled which reduces the intensity of grating ghosts to a negligible minimum. Random groove displacement or local deviations from the ideal profile shape, i.e. roughness, cause diffuse straylight. The choice of adequate metals for the ruled film, optimum production conditions, precise adjustment of the ruling process and the quality of the replication process keep diffuse straylight extremely low.

Resolving power near the theoretical limit The theoretical resolving power of a grating is defined by the product of total number of grooves and diffraction order. It is approximately attained if the deviations of the wavefront diffracted by the grating are small compared with the wavelength used. High optical flatness of the blank and adequate freedom from systematic, periodic and random errors of the grating constant are required for this purpose. The surface quality of the substrate of Zeiss echelette gratings and the exceptional

The accuracy of the ruling engines fulfil these requirements. Routine interferometric wavefront examinations in the second or higher diffraction orders guarantee the grating quality; the resolving power exceeds generally 80% of the theoretical limit.

Fonte Zeiss - The holographic production method

The holographic technique is used to produce gratings by recording the pattern generated by a fine laser interference field on a photoresist film. It is not a new idea to use light itself for the production of gratings. Michelson published suggestions to this effect as long ago as 1915. The production of high-grade spectroscopic gratings, however, has become possible only with the availability of high-resolution photoresist films and lasers with shortwave emission wavelength.

On this basis, Zeiss developed new production technologies and the necessary equipment for the manufacture of holographic gratings which can be used in a wide range of applications.

Holographic gratings have a low level of straylight.

and are totally free from ruling errors. Another benefit offered by these gratings is that special optical imaging properties can be realised which cannot be achieved using mechanical means, e.g. the correction of aberrations in concave gratings. Thus, holographic gratings considerably extend the range of application of diffraction gratings. Whether a ruled or a holographic grating is the best choice for a specific application depends on the grating properties required. More performance at a lower price due to replication techniques. With a original replication technique developed by Zeiss, numerous replicas can be made of a master grating produced according to one of the aforementioned methods. The replicas have the same properties and quality as the master grating. The replicating process allows the batch production of gratings, offering price advantages to users. Zeiss subjects all diffraction gratings- master gratings and replicas - to a most stringent quality control: 1) Spectral efficiency

and straylight are measured in a testing spectrometer.

The diffracted wavefront, i.e. the resolving power, is checked interferometrically.

The groove profile is checked using a light microscope and an Atomic-Force-Microscope.

This is why Zeiss is able to guarantee constant high quality standards.

In addition, Zeiss offers technical consulting to realize and optimize your application case.

Reticolo convenzionale

Nel reticolo convenzionale il fascio incidente e quello diffratto giacciono su quadranti diversi.

La risoluzione si ottiene mediante un elevato numero di incisioni per mm, vengono utilizzati però ordinibassi di diffrazione.

Reticolo di Echelle

Il reticolo di Echelle è costituito da una serie di incisione adente di sega relativamente grandi rispetto a quelle di un reticolo tradizionale e quindi in numero minore a parità di dimensioni.

Il fascio diffratto viene raccolto nello stesso quadrante di quello incidente con angoli α e β molto vicini fra di loro.

per cui si ha che nλ ≈ 2dsenβ e la dispersione angolare D = nF/dcosβ.

Con questo reticolo si ottiene un elevatissima risoluzione rilevando ordini alti di diffrazione, a causa però della sovrapposizione spettrale fra i vari ordini, è necessario l’utilizzo di un prisma come successivo elemento disperdente. Si ottiene così una dispersione bidimensionale.

Utilizzando un reticolo concavo di opportuna geometria si ottiene la focalizzazione delle varie lunghezze d’onda su di un cerchio ideale denominato cerchio di Rowland. Ponendo una serie di rivelatori lungo questo cerchio si può registrare simultaneamente l’intero spettro.

RIVELATORI

UN RIVELATORE IDEALE DOVREBBE AVERE:

• UNA ELEVATA SENSIBILITÀ (UNA PICCOLA CONCENTRAZIONE O QUANTITÀ DI ANALITA DEVE CAUSARE UNA RISPOSTA SUFFICIENTEMENTE GRANDE)
• UN BASSO RUMORE INTRINSECO (POSSIBILITÀ DI OTTENERE QUASI SEMPRE UN ELEVATO RAPPORTO SEGNALE/RUMORE S/N)
• UN AMPIO