Echellespektrometer

Typisches Echelle-Spektrum.

Echellegitter sind spezielle Beugungsgitter, die bei hohen Beugungsordungen hohe Intensitäten besitzen. Typischerweise nutzt man Blazegitter mit hohen Blaze-Winkeln von ca. 60–75°. Im Gegensatz zu herkömmlichen Beugungsgittern haben Echellegitter relativ wenig Furchen, für sichtbares Licht ca. 20–100 je Millimeter.

Der Echelle-Spektrograph

Aufbau eines Echelle-Spektrographen

Die Zeichnung zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Echelle-Spektrographen. Das Licht trifft von unten auf einen Spalt mit nachgeschaltetem optischen Echellegitter G1. Das Dispersionsspektrum fällt auf ein konventionelles Gitter G2. Der blaue und rote Pfeil deuten die Lage des Beugungsspektrums an. Das Echellegitter wird in hohen Beugungs-Ordnungen betrieben, die zum großen Teil aufeinander fallen. Die Abbildung zeigt beispielhaft zwei Ordnungen O1 und O2. Tatsächlich mischen sich die Farben. Würde man an dieser Stelle einen Schirm einfügen, sähe man ein verwaschenes Grau, nicht etwa die Spektralfarben.

Das Gitter G2 ist rechtwinklig zum Echellegitter G1 orientiert und separiert die Ordnungen. Die räumliche Aufspaltung durch G1 setzt sich in G2 fort. Statt eines kontinuierlichen Spektrums, das sich von oben (rote Linie) nach unten (blaue Linie) über den gesamten Schirm S ausbreitet, erscheint ein Spektralband, das durch die Breite von G2 begrenzt wird. Der linke blaue Pfeil auf S markiert den kurzwelligen Rand für die Ordnung O1, der linke rote Pfeil den langwelligen. Die beiden anderen Pfeile verweisen auf das Band, das das Gitter G2 für die zweite Ordnung O2 erzeugt.

Das zweite optische Gitter trennt die übereinander liegenden Beugungsordnungen, die das Echellegitter erzeugt. Ein Echellespektrum besteht aus nahezu parallel verlaufenden Beugungsbändern. Mit zunehmender Ordnung werden die Beugungsspektren gestaucht, was zu einer Verkippung der Bänder auf dem Schirm führt. Die Zeichnung überhöht den Effekt. Wählt man zur Separation statt eines Beugungsgitters G2 ein Prisma mit nichtkonstanter Dispersion, verlaufen die Bänder auf dem Schirm nicht linear, sondern gekrümmt.

Anwendungsgebiete

Échellegitter werden in der Astronomie gerne für die Aufnahme von Sternspektren mit hoher Auflösung benutzt, weil ein hochauflösendes Spektrum mit einem sehr großen Wellenlängenbereich auf einmal erfasst werden kann. Im Gegensatz dazu sind herkömmliche hochauflösende Beugungsgitter für einen relativ schmalen Bereich optimiert; außerdem wären sehr lange CCD-Sensoren oder mehrere nebeneinander angeordnete CCDs nötig, um das komplette Spektrum erster (oder zweiter) Ordnung zu erfassen. Beim Echelle-Spektrographen lässt sich das Spektrum mit einem vergleichsweise kleinen quadratischen CCD aufnehmen.

Echellespektrometer erreichen bei kompakter Bauweise gute spektrale Auflösungsvermögen. Verwendet wird eine Gitter/Gitter-, häufiger jedoch eine Gitter/Prisma-Kombination. Als Beugungsgitter wird ein sogenanntes Echellegitter mit hoher Effizienz in hohen Beugungsordnungen verwendet. Bei sequentiellen Monochromatoren wird ein Prisma zur Vorauswahl des Wellenlängenbereiches verwendet. Bei Polychromatoren werden die verschiedenen Beugungsordnungen mit einem zweiten Gitter oder einem Prisma zweidimensional in die Fläche projiziert. Als Empfänger werden kommerzielle Photoplatten, Sekundärelektronenvervielfacher hinter Spaltmasken und Halbleiter-Flächendetektoren eingesetzt.

Echellespektrometer werden häufig in der Analytischen Chemie zur quantitativen und qualitativen Bestimmung von Elementen, im Speziellen in der Optischen ICP-Emissionsspektrometrie (ICP-OES) eingesetzt. Die gute spektrale Auflösung im UV-Bereich zur Auftrennung der linienreichen ICP-Spektren ist in dieser Kombination besonders effektiv.

Geschichte und Herkunft

Das Wort stammt aus dem Französischen: échelle = (Sprossen-)Leiter, Stiege. Es gibt zwei Erklärungen für den Namen: Das Gitter selbst ähnelt einer Stiege, und die einzelnen Zeilen eines Échelle-Spektrogramms sind parallel wie die Sprossen einer Leiter.

Siehe auch

• Atomspektroskopie

Weblinks

• Institut für Astronomie und Astrophysik, Uni Tübingen: Das Echelle-Spektrometer
• Echelle-Spektrometer für die Laser-Emissionsspektrometrie an verzunderten Roheisenproben
• R.J. Krupa, E.R. Pereira, Ruling of an echelle grating, in: American Laboratory News, Jan 1999 Herstellung von Echelle-Gittern (PDF, englisch)