Einsatz von Doppelmonochromatoren

Doppelmonochromatoren gehören aufgrund ihrer Vorteile zu den besonders gefragten Geräten für die optische Spektroskopie.

Im Vergleich zu einfachenMonochromatoren bieten sie eine größere Dispersion und eine wesentlich effektivere Unterdrückung von Streulicht (Stray Light Rejection), was sich bei Lumineszenzspektrometern in einem besseren Signal-Rausch-Verhältnis (Empfindlichkeit) bei Lumineszenzspektrometern. Dies erweist sich vor allem bei Proben als entscheidend, die eine geringe Quantenausbeute aufweisen oder stark streuen.

Einfacher vs. doppelter Monochromator

Unterdrückung von Störsignalen durch einen Doppelmonochromator

Bei Monochromatoren versteht man unter dem Begriff „Streulicht“ (Stray light) ein unerwünschtes Signal, das zusammen mit dem gewünschten (eingestellten) Spektralband durch den Monochromator gelangt. Zu seinen Hauptursachen gehören:

• Streuung und Reflexion von Licht an optischen und mechanischen Elementen im Inneren des Monochromators
• Höhere Beugungsordnungen, die durch das Beugungsgitter erzeugt werden
• Eine fehlerhafte Konstruktion des Geräts

Moderne Monochromatoren verfügen heute standardmäßig über ein integriertes automatisches Filterkarussell zur Unterdrückung höherer Beugungsordnungen. Zudem kommen Kollimations- und Fokussierspiegel sowie Dispersionselemente von hoher Qualität und mit geringer Streuung zum Einsatz. Darüber hinaus lässt sich das Störsignal durch den Einsatz eines Doppelmonochromators deutlich unterdrücken (der erste Monochromator wählt einen Spektralbereich aus, der im zweiten zusätzlich „gereinigt“ wird).

Beispiel für die Messung des unerwünschten Streulichtanteils in der Praxis

Mithilfe einer PTFE-Platte wurde der Anteil des unerwünschten Streulichts bei dem Lumineszenzspektrometer FLS980 gemessen. Zum Vergleich wurde zunächst ein Spektrometer in einer Konfiguration mit einem einfachen Anregungs- und Emissionsmonochromator verwendet, anschließend wurde es durch ein Spektrometer mit Doppelmonochromatoren ersetzt. PTFE zeigt keine Fluoreszenz und streut diffus über einen breiten Spektralbereich. Es ist daher ein nahezu ideales Material für die Untersuchung der Streuung.

Additive und subtraktive Anordnung

Doppelmonochromatoren können so ausgelegt werden, dass sie in additiver oder subtraktiver Anordnung arbeiten.

Bei der additiven Konfiguration wird das aus dem ersten Monochromator austretende Spektralband im Inneren des zweiten Monochromators erneut einer spektralen Aufspaltung unterzogen. In diesem Modus entspricht das Verhalten des Geräts dem eines einfachen Monochromators mit doppelter Brennweite.

Ist der Monochromator hingegen für den subtraktiven Modus ausgelegt, beträgt die spektrale Dispersion am Ausgang null. Dies wird dadurch erreicht, dass der zweite Monochromator das Spektralband, das am mittleren Spalt zwischen den beiden Monochromatoren aufgeteilt wird, nicht weiter zerlegt. Er weist jedoch eine Dispersion in entgegengesetzter Richtung auf, wodurch sich die beiden Beiträge gegenseitig ausgleichen. Das Ergebnis ist dann ein spektral einheitlicher Ausgang. 

Ein typisches Anwendungsbeispiel für subtraktive Doppelmonochromatoren ist die zeitaufgelöste Pikosekunden-Spektroskopie. Bei herkömmlichen Monochromatoren kommt es aufgrund der realen Abmessungen des Beugungsgitters zu einer Verbreiterung der durchlaufenden Impulse. Ein Strahl auf der einen Seite des Beugungsgitters legt einen kürzeren Weg zurück als ein Strahl auf der gegenüberliegenden Seite (d. h., eine Seite des optischen Strahls wird gegenüber der anderen verzögert). Bei einer subtraktiven Anordnung wirkt der zweite Monochromator als Kompensator, an dessen Beugungsgitter ein umgekehrter Prozess stattfindet. Dadurch werden die Zeitverzögerung und die zeitliche Dispersion eliminiert.

Quelle der Meldung:

TN5/2013/07, Edinburgh Instruments, Vergleich der Streulichtleistung von FLS980-Spektrometern mit Einzel- oder Doppelmonochromatoren www.edinst.com