DE10310645B3

DE10310645B3 - Optical spectrometer for recording optical spectra, especially visible, ultraviolet and/or infrared, feeds fraction of beam transmitted through photonic crystal to absorber or out of spectrometer

Info

Publication number: DE10310645B3
Application number: DE2003110645
Authority: DE
Inventors: Georg Von Dr. Freymann; Wolfpeter Koch; Martin Prof. Dr. Wegener
Original assignee: Forschungszentrum Karlsruhe GmbH
Current assignee: Karlsruher Institut fuer Technologie KIT
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-11-18
Anticipated expiration: 2023-03-13

Abstract

The device consists of a radiation source (1) whose radiation (2) acts on a specimen (3), a photonic crystal (4) that diffracts the beam reflected, transmitted and/or emitted by the specimen and at least one detector (5) that detects the spectroscopic properties of the diffracted beam. The part of the beam transmitted (2''') through the photonic crystal is fed to an absorber (6) or out of the spectrometer. An independent claim is also included for the following: (a) a method of recording optical spectra.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Spektrometer nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, das eine von der einfallenden Strahlung weitgehend ungestörte Spektroskopie der von einer Probe reflektierten, transmittierten und/oder emittierten Strahlung ermöglicht, sowie ein Verfahren zur Aufnahme von optischen Spektren.The The invention relates to an optical spectrometer according to the preamble of claim 1, which is largely from the incident radiation undisturbed Spectroscopy of the transmitted, reflected from a sample and / or emitted radiation, and a method for recording optical spectra.

In erster Linie umfasst die Erfindung Spektrometer, die zur Aufnahme von solchen Spektren geeignet sind, deren Spektrallinien sich in der Nähe einer intensiven anregenden Strahlung befinden. Beispiele hierfür sind die Raman- oder die Photolumineszenz-Spektroskopie. Unter Strahlung wird hierbei elektromagnetische Strahlung verstanden, insbesondere aus dem sichtbaren, ultravioletten und/oder infraroten Spektralbereich, im Folgenden gemeinsam kurz als Licht bezeichnet.In primarily the invention encompasses spectrometers used for recording of those spectra are suitable whose spectral lines are in nearby intense stimulating radiation. Examples of this are the Raman or photoluminescence spectroscopy. Under radiation electromagnetic radiation is understood here, in particular from the visible, ultraviolet and / or infrared spectral range, hereinafter referred to collectively as light.

Wie zum Beispiel in Hans Kuzmany, Festkörperspektroskopie, Springer Verlag, Heidelberg, 1990, Seite 139 ff, dargestellt, interessiert man sich bei der Spektroskopie von reflektiertem, transmittiertem und/oder emittierten Licht für die spektrale Verteilung dieses Lichts in Bezug auf Verteilung des einfallenden Lichts. Im Falle der Raman-Spektroskopie liegen hierbei die Änderungen im Spektrum in unmittelbarer Nähe zur Wellenlänge des einfallenden Lichts, wobei die Intensität des reflektierten, transmittierten und/oder emittierten Lichts bezogen auf diejenige des einfallenden Lichts meist um sehr viele Zehnerpotenzen geringer ist. Daher ist eine sehr gute Unterdrückung des einfallenden Lichts erforderlich, um reflektiertes, transmittiertes und/oder emittiertes Lichts mit dem gewünschten Signal-Rausch-Verhältnis nachweisen zu können.How for example in Hans Kuzmany, Solid State Spectroscopy, Springer Verlag, Heidelberg, 1990, page 139 ff, shown, interested one looks at the spectroscopy of reflected, transmitted and / or emitted light for the spectral distribution of this light in relation to the distribution of the incident light. In the case of Raman spectroscopy, this is the case The changes in the spectrum in the immediate vicinity to the wavelength of the incident light, the intensity of the reflected, transmitted and / or emitted light related to that of the incident light is usually lower by a lot of powers of ten. Hence one very good suppression of the incident light required to be reflected, transmitted and / or detect emitted light with the desired signal-to-noise ratio to be able to.

Herkömmliche Raman- oder Photolumineszenz-Spektrometer verwenden daher als Lichtquelle häufig einen schmalbandigen Laser und sind entweder als Doppel- oder als Dreifach-Monochromatoren ausgeführt. Derartige Monochromatoren sind aufgrund der hierfür erforderlichen Gitter in doppelter oder dreifacher Ausfertigung sehr aufwendig in Herstellung und Bedienung, was sich in hohen Kosten für Anschaffung und Betrieb niederschlägt. Liegen die Änderungen im aufzunehmenden Spektrum näher als wenige Nanometer zur Wellenlänge des einfallenden Lichts, so wird anstelle der Monochromatoren ein Fabry-Perot-Interferometer eingesetzt, was Aufwand und Kosten noch weiter erhöht. Ein derartiger Aufwand ist in der Regel aber erforderlich, um die sehr empfindlichen Detektoren nicht zu überladen bzw. um keine Störsignale zu erzeugen.conventional Raman or photoluminescence spectrometers therefore often use one as the light source narrow-band lasers and are designed as either double or triple monochromators. such Monochromators are in due to the grids required for this double or triple execution very complex to manufacture and operation, which translates into high costs for acquisition and operation. Lie The changes closer in the spectrum to be recorded than a few nanometers to the wavelength of the incident light, a Fabry-Perot interferometer is used instead of the monochromators, which further increases effort and costs. Such an effort but is usually required to use the very sensitive detectors not to overload or no interference signals to create.

Alternativ benutzen herkömmliche Raman- oder Photolumineszenz-Spektrometer spezielle Filtersätze, die geeignet sind, die anregende Strahlung heraus zu filtern. Zusätzliche Filtersätze, die insbesondere in einfachen Gitterspektrometern zur Unterdrückung des einfallenden Lichts eingesetzt werden, verringern jedoch die Intensität der damit aufgenommenen Spektren, was in vielen Fällen aufgrund der geringen Nachweisintensität unerwünscht ist.alternative use conventional Raman or photoluminescence spectrometer special filter sets, which are suitable for filtering out the stimulating radiation. additional Filter sets, which in particular in simple grating spectrometers to suppress the incident light are used, however, reduce the intensity of the light recorded spectra, which in many cases due to the low detection intensity undesirable is.

Aus der DE 199 57 682 A1 ist ein optisches Spektrometer mit einem beugenden Element, das den von der Probe emittierten Strahl beugt, bekannt, wobei das beugende Element ein Photonischer Kristall sein kann.From the DE 199 57 682 A1 is known an optical spectrometer with a diffractive element which diffracts the beam emitted by the sample, which diffractive element can be a photonic crystal.

Die DE 100 63 151 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Analyse der Zusammensetzung von Fluiden, die als zweidimensionale photonische Bandgap-Struktur ausgestaltet sein kann.The DE 100 63 151 A1 discloses a device for analyzing the composition of fluids, which can be designed as a two-dimensional photonic band gap structure.

Ausgehend davon ist es die Aufgabe der Erfindung, ein Spektrometer zur Aufnahme von Spektren insbesondere im sichtbaren, ultravioletten und/oder infraroten Spektralbereich anzugeben, das das die vorher genannten Nachteile und Einschränkungen nicht aufweist. Ferner ist es die Aufgabe der Erfindung ein Verfahren zur Aufnahme von Spektren anzugeben, die weitgehend ungestört von der Strahlung des anregenden Lichts sind.outgoing of which it is the object of the invention to provide a spectrometer for recording of spectra especially in the visible, ultraviolet and / or Infrared spectral range indicate that the previously mentioned Disadvantages and limitations are not having. Furthermore, the object of the invention is a method to record spectra that are largely undisturbed by the Are radiation of the exciting light.

Gelöst wird diese Aufgabe durch das Merkmal des Patentanspruchs 1 und durch den Patentanspruch 6. Die Unteransprüche beschreiben vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.Is solved this task by the feature of claim 1 and by claim 6. The subclaims describe advantageous Embodiments of the invention.

Ein erfindungsgemäßes Spektrometer besteht aus einer Strahlen quelle, deren Strahl die zu untersuchende Probe beaufschlagt, einem Photonischen Kristall als beugendem Element, der den von der Probe reflektierten, transmittierten und/oder emittierten Strahl derart beugt, dass dieser gebeugte Strahl dann auf einen oder mehrere Detektoren, die geeignet sind, dessen spektroskopische Eigenschaften nachzuweisen, geführt wird.On spectrometer according to the invention consists of a radiation source, the beam of which is the one to be examined Sample applied, a photonic crystal as a diffractive element, of those reflected, transmitted and / or emitted by the sample Bends the beam in such a way that this diffracted beam then strikes you or several detectors that are suitable, its spectroscopic To demonstrate properties becomes.

Photonische Kristalle sowie Verfahren zu ihrer Herstellung sind beispielsweise aus der WO 99/09439 A1 oder der WO 01/22133 A1 bekannt. Als Photonische Kristalle werden Materialien bezeichnet, die im Allgemeinen in drei Dimensionen eine räumlich periodische Struktur der dielektrischen Funktion, insbesondere des Brechungsindex, aufweisen. Photonische Kristalle sind auf Grund ihrer Einsatzmöglichkeiten in der Telekommunikation, als Träger für sehr feine Nano-Kavitäten oder als Materialien, die einen negativen Brechungsindex aufweisen können, von großem Interesse.Photonic Crystals and processes for their production are for example known from WO 99/09439 A1 or WO 01/22133 A1. As a photonic Crystals are called materials, generally in three Dimensions one spatial periodic structure of the dielectric function, in particular the Refractive index. Photonic crystals are on the bottom of their possible uses in telecommunications, as a carrier for very fine nano-cavities or as materials that have a negative refractive index can of great Interest.

Bei der Wechselwirkung mit Licht zeigen Photonische Kristalle aufgrund ihres räumlich periodischen Aufbaus in Bezug auf die dielektrische Funktion eine ausgeprägte Bandstruktur. Diese Bandstrukturen können Bereiche aufweisen, in denen die Ausbreitung von Licht bestimmter Wellenlängen verboten ist. Diese Bereiche werden in Analogie zu kristallinen Halbleitern als Bandlücken bezeichnet. Andererseits können diese Bandstrukturen Bereiche aufweisen, in denen die Ausbreitung von Licht bestimmter Wellenlängen erlaubt ist. Diese Bereiche heißen ebenfalls in Analogie zu kristallinen Halbleitern Bänder.at due to the interaction with light show photonic crystals their spatially periodic structure with respect to the dielectric function pronounced Band structure. These band structures can have areas in which prohibited the propagation of light of certain wavelengths is. These areas become analogous to crystalline semiconductors as band gaps designated. On the other hand, you can these band structures have areas where the spread of light of certain wavelengths allowed is. These areas are called also in analogy to crystalline semiconductors.

Aufgrund der periodischen Struktur ihrer dielektrischen Funktion, insbesondere des Brechungsindex, und der hieraus resultierenden optischen Eigenschaften eignen sich zweidimensionale Photonische Kristalle grundsätzlich als Beugungsgitter, wie von D. Maystre in Optics Express, Band 8, Seite 209 ff (2001), und von M. Doosje, B. J. Hoenders, und J.by virtue of the periodic structure of their dielectric function, in particular the refractive index, and the resulting optical properties two-dimensional photonic crystals are basically suitable as Diffraction gratings as described by D. Maystre in Optics Express, volume 8, page 209 ff (2001), and by M. Doosje, B. J. Hoenders, and J.

Knoester in Optics Communications, Band 206, Seite 253 ff (2002), theoretisch gezeigt wurde.Knoester in Optics Communications, volume 206, page 253 ff (2002), theoretically was shown.

Trifft eine elektromagnetische Welle auf die Oberfläche eines Photonischen Kristalls, so führt die fehlende Impedanzanpassung zwischen Luft und Photonischem Kristall einerseits zur Reflektion und andererseits zur Beugung des Lichtstrahls an der periodisch modulierten Oberfläche. Wie von M. van Driel und W.L. Vos in Phys. Rev. B, 2000, Band 62, Seite 9872 ff, (2000) sowie von G. Romanov, T. Maka, C.M. Sotomayor Torres, M. Müller, R. Zentel, D. Cassagne, J. Manzanares-Martinez und C. Jouanin in Phys. Rev. E, Band 63, Seite 56603 (2001), dargelegt, beugt ein zweidimensionaler Photonischer Kristall einfallende Lichtstrahlen innerhalb der Ebene der einfallenden Welle und wirkt damit an seiner Oberfläche wie ein Beugungsgitter, während ein dreidimensionaler Photonischer Kristall einfallende Lichtstrahlen auch außerhalb der genannten Ebene beugt.Meets an electromagnetic wave on the surface of a photonic crystal, so leads the lack of impedance matching between air and photonic crystal on the one hand for reflection and on the other hand for diffraction of the light beam on the periodically modulated surface. As by M. van Driel and W. L. Vos in Phys. Rev. B, 2000, volume 62, page 9872 ff, (2000) and by G. Romanov, T. Maka, C.M. Sotomayor Torres, M. Müller, R. Zentel, D. Cassagne, J. Manzanares-Martinez and C. Jouanin in Phys. Rev. E, volume 63, page 56603 (2001), bends a two-dimensional one Photonic crystal incident light rays within the plane the incident wave and thus acts on its surface like a diffraction grating while a three-dimensional photonic crystal incident light rays also outside bends at that level.

Entsprechend diesen theoretischen Vorhersagen ist daher die Verwendung von zweidimensionalen Photonischen Kristallen, das heißt Photonischen Kristallen, deren räumlich periodische Struktur der dielektrischen Funktion im Wesentlichen auf zwei Dimensionen beschränkt ist, für erfindungsgemäße Spektrometer und Verfahren besonders bevorzugt.Corresponding these theoretical predictions is therefore the use of two-dimensional Photonic crystals, that is photonic crystals, their spatial periodic structure of the dielectric function essentially limited to two dimensions is for spectrometer according to the invention and method particularly preferred.

Eine weitere vorteilhafte Ausführung der räumlichen Struktur von erfindungsgemäß verwendeten Photonischen Kristallen besteht darin, in Anlehnung an D. Maystre, Optics Express, Band 8, Seite 209 ff (2001), in Bezug auf die einfallende Strahlung räumlich vor die zweidimensionale periodische Struktur der dielektrischen Funktion eine eindimensionale periodische Struktur der dielektrischen Funktion vorzuschalten. In dieser Ausgestaltung bewirkt die eindimensionale Struktur die Beugung des auftreffenden Strahls, während die zweidimensionale Struktur so gestaltet ist, dass sie die Effizienz dieser Beugung maximiert.A further advantageous embodiment the spatial Structure of used according to the invention Photonic crystals consist, based on D. Maystre, Optics Express, Volume 8, page 209 ff (2001), with regard to the incident Radiation spatial before the two-dimensional periodic structure of the dielectric Function a one-dimensional periodic structure of the dielectric Upstream function. In this configuration, the one-dimensional effect Structure the diffraction of the incident beam, while the two-dimensional Structure is designed to increase the efficiency of this diffraction maximized.

Weiterhin können in einer vorteilhaften Ausgestaltung erfindungsgemäße verwendete Photonische Kristalle eine lokale Variation der dielektrischen Funktion aufweisen. Beispiele hierfür sind gezielt in den Photonischen Kristall eingebrachte Defekte in Form von vergrößerten, verkleinerten oder weggelassenen Poren, die bestimmte Wellenlängen für die Transmission zulassen. Weitere mögliche Ausgestaltungen des Photonischen Kristalls können der DE 100 63 151 A1 entnommen werden.Furthermore, in an advantageous embodiment, photonic crystals used according to the invention can have a local variation in the dielectric function. Examples of this are defects introduced specifically into the photonic crystal in the form of enlarged, reduced or omitted pores, which allow certain wavelengths for transmission. Further possible configurations of the photonic crystal can be the DE 100 63 151 A1 be removed.

Während in bekannten Spektrometern das einfallende Streulicht durch Filter und/oder durch weitere spektrale Separation in Doppel- oder Dreifach-Monochromatoren oder Interferometern unterdrückt werden muss, um die empfindlichen Detektoren nicht zu überladen oder Störsignale zu produzieren, wird erfindungsgemäß anstelle eines herkömmlichen Beugungsgitters ein Photonischer Kristall verwendet, dessen Bänder im Bereich der anregenden Strahlung liegen. Aufgrund dessen Eigenschaften kann sich dieser Anteil des einfallenden Lichts nun innerhalb des Photonischen Kristalls ausbreiten. Durch den Photonischen Kristall hindurch wird dieser Anteil des Lichts transmittiert und anschließend auf einen Absorber innerhalb des Spektrometers geleitet und/oder aus dem Spektrometer herausgeführt, so dass es nicht zu einem störendem Streulicht führen kann.While in known spectrometers the incident scattered light through filters and / or by further spectral separation in double or triple monochromators or interferometers suppressed to avoid overloading the sensitive detectors or interference signals to produce, according to the invention instead of a conventional Diffraction grating uses a photonic crystal, whose bands in the Range of the exciting radiation. Because of its properties this portion of the incident light is now within the photonic Spread crystal. Through the photonic crystal this portion of the light is transmitted and then on an absorber directed within the spectrometer and / or out led out to the spectrometer, so it's not a distracting one Can cause stray light.

Liegen weiterhin die Bandlücken des verwendeten Photonischen Kristalls in dem zu untersuchenden Spektralbereich, dann werden die zu untersuchenden Linien für die Raman- oder Photolumineszenz-Spektroskopie genau so wie bei einem herkömmlichen Gitter gebeugt und lassen sich spektral aufgelöst anschließend in einem oder mehreren geeigneten Detektoren nachgewiesen.Lie continue the band gaps of the photonic crystal used in the one to be examined Spectral range, then the lines to be examined for the Raman or photoluminescence spectroscopy just like a conventional one Lattices are diffracted and can then be spectrally resolved in one or more proven detectors.

Als Strahlenquelle für ein erfindungsgemäßes Spektrometer eignen sich einerseits breitbandige Strahlenquellen wie zum Beispiel Halogen- und/oder Xenonlampen, Leuchtdioden und/oder Bogenlampen, die alle sowohl spektral gefiltert als auch ungefiltert einsetzbar sind. Andererseits können bevorzugt schmalbandige Laserquellen dafür eingesetzt werden.As Radiation source for a spectrometer according to the invention are suitable broadband radiation sources such as halogen and / or Xenon lamps, light emitting diodes and / or arc lamps, all of them spectrally filtered as well as unfiltered can be used. on the other hand can preferably narrow-band laser sources are used for this.

Das gebeugte Licht wird von einem oder mehreren Detektoren aufgezeichnet. Hierfür kommen beispielsweise Photomultiplier, Avalanche-Photodioden und/oder CCD-Kameras, ausgeführt als Flächen- oder Zeilendetektor, in Frage. Eine räumliche Filterung des gebeugten Lichts zum Beispiel durch einen Spalt erlaubt die wellenlängenselektive Detektion der einfallenden, gebeugten Strahlung. Andererseits ermöglicht der Einsatz einer CCD-Kamera die Aufzeichnung des gesamten Spektrums während einer Belichtung.The diffracted light is recorded by one or more detectors. For example, photomultipliers, avalanche photodiodes and / or CCD cameras, designed as area or line detectors, are suitable for this. Spatial filtering of the diffracted light, for example through a slit, allows wavelength selective Detection of the incident, diffracted radiation. On the other hand, the use of a CCD camera enables the recording of the entire spectrum during an exposure.

Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Aufnahme von optischen Spektren wird betrieben, indem ein Strahl aus einer Strahlenquelle auf eine zu untersuchende Probe geführt wird, und dann der von der Probe reflektierte, transmittierte und/oder emittierte Strahl einen Photonischen Kristall als beugendes Element beaufschlagt. Anschließend wird der durch den Photonischen Kristall gebeugte Strahl auf einen oder mehrere Detektoren geführt, die das Spektrum des gebeugten Strahls aufnehmen.On inventive method to record optical spectra is operated by a beam is guided from a radiation source onto a sample to be examined, and then the one reflected, transmitted and / or beam emitted a photonic crystal as a diffractive element applied. Subsequently is the beam diffracted by the photonic crystal on one or led several detectors, that take up the spectrum of the diffracted beam.

In einer weiteren Ausgestaltung wird der durch den Photonischen Kristall gebeugte Strahl zunächst auf einen Spalt geführt und der hierdurch wiederum gebeugte Strahl beaufschlagt einen oder mehrere Detektoren, die die Intensität des am Spalt gebeugten Strahls aufnehmen. Zur Aufnahme des Spektrums ist der Photonische Kristall drehbar gelagert.In Another embodiment is that of the photonic crystal diffracted beam initially led to a crack and the beam thereby diffracted in turn impinges on one or more Detectors that measure the intensity of the beam diffracted at the gap. To record the spectrum the photonic crystal is rotatably mounted.

Das erfindungsgemäße Spektrometer weist insbesondere die folgenden Vorteile auf:

– Ein erfindungsgemäßes Spektrometer lässt sich sehr kompakt aufbauen; aufgrund der geringen Dimensionen der verwendeten Elemente auch als Taschen-Spektrometer.
– Es erfordert einen geringen Aufwand in Herstellung und Bedienung, was sich in niedrigen Kosten für Anschaffung und Betrieb niederschlägt.
– Die meist sehr empfindlichen Detektoren werden nicht überladen; Störsignale werden vermieden.

The spectrometer according to the invention has the following advantages in particular:

- A spectrometer according to the invention can be constructed very compactly; due to the small dimensions of the elements used, also as a pocket spectrometer.
- It requires little effort in production and operation, which is reflected in low costs for acquisition and operation.
- The mostly very sensitive detectors are not overloaded; Interference signals are avoided.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Hilfe der Abbildungen näher erläutert. Dabei zeigenThe In the following, the invention is illustrated with the aid of exemplary embodiments closer to the pictures explained. Show

1 den schematischen Aufbau eines Spektrometers zur Aufnahme von Spektren einer Probe in Reflektion; 1 the schematic structure of a spectrometer for recording spectra of a sample in reflection;

2 den schematischen Aufbau eines Spektrometers zur Aufnahme von Spektren einer Probe in Transmission; 2 the schematic structure of a spectrometer for recording spectra of a sample in transmission;

3 den schematischen Aufbau eines Spektrometers zur Aufnahme von Spektren mit wellenlängenselektiver Detektion; und 3 the schematic structure of a spectrometer for recording spectra with wavelength selective detection; and

4 den schematischen Aufbau eines Phonischen Kristalls aus einer hexagonalen Anordnung von Luftporen in Silizium. 4 the schematic structure of a phonic crystal from a hexagonal arrangement of air pores in silicon.

In 1 fällt Licht 2 aus einem schmalbandigen Laser-Emitter 1 auf die zu untersuchende Probe 3. Die Probe 3 ist beispielsweise ein Festkörper, insbesondere ein Halbleiter. Das von der Probe 3 reflektierte bzw. emittierte Licht 2' wird mittels eines Photonischen Kristalls 4 spektral aufgefächert, und von einem Detektor 5 als Spektrum der Intensität des Lichts 2'' aufgezeichnet. Die im Photonischen Kristall 4 transmittierte Strahlung 2''' wird im Absorber 6 absorbiert.In 1 light falls 2 from a narrow-band laser emitter 1 on the sample to be examined 3 , The sample 3 is for example a solid, in particular a semiconductor. That from the rehearsal 3 reflected or emitted light 2 ' is by means of a photonic crystal 4 spectrally fanned out, and from a detector 5 as a spectrum of the intensity of light 2 '' recorded. The one in the photonic crystal 4 transmitted radiation 2 ''' is in the absorber 6 absorbed.

In 2 fällt Licht 2 aus einem schmalbandigen Laser-Emitter 1 auf die zu untersuchende Probe 3. Mit dem von der Probe 3 transmittierte bzw. emittierte Licht 2' wird mittels eines Photonischen Kristalls 4 gebeugt und von einem Detektor 5 als Spektrum der Intensität des Lichts 2'' aufgezeichnet. Die im Photonischen Kristall 4 transmittierte Strahlung 2''' wird im Absorber 6 absorbiert.In 2 light falls 2 from a narrow-band laser emitter 1 on the sample to be examined 3 , With that from the sample 3 transmitted or emitted light 2 ' is by means of a photonic crystal 4 bent and by a detector 5 as a spectrum of the intensity of light 2 '' recorded. The one in the photonic crystal 4 transmitted radiation 2 ''' is in the absorber 6 absorbed.

In 3 fällt Licht 2 aus einem schmalbandigen Laser-Emitter 1 auf die zu untersuchende Probe 3. Das von der Probe 3 reflektierte bzw. emittierte Licht 2' wird mittels eines Photonischen Kristalls 4, der stationär oder drehbar gelagert ist, gebeugt und durch einen Spalt 7 auf den Detektor 5 geleitet, der eine wellenlängenselektive Aufzeichnung des Lichts 2'' durchführt. Die im Photonischen Kristall 4 transmittierte Strahlung 2''' wird im Absorber 6 absorbiert.In 3 light falls 2 from a narrow-band laser emitter 1 on the sample to be examined 3 , That from the rehearsal 3 reflected or emitted light 2 ' is by means of a photonic crystal 4 , which is stationary or rotatable, bent and through a gap 7 on the detector 5 headed by a wavelength selective recording of light 2 '' performs. The one in the photonic crystal 4 transmitted radiation 2 ''' is in the absorber 6 absorbed.

Die Struktur des Photonischen Kristalls 4 wird in allen Beispielen derart gewählt, dass die zur Anregung des zu untersuchenden Lichts 2' verwendete Strahlung 2 aus der Lichtquelle 1 im Photonischen Kristall 4 nicht gebeugt, sondern als Strahlung 2''' transmittiert wird. Zur möglichst vollständigen Unterdrückung des Streulichts wird diese transmittierte Strahlung 2''' von einem geeigneten Absorbermaterial 6 innerhalb des Spektrometers absorbiert. Alternativ kann diese Strahlung aber auch ganz oder teilweise aus dem Spektrometer herausgeführt werden.The structure of the photonic crystal 4 is chosen in all examples such that the excitation of the light to be examined 2 ' radiation used 2 from the light source 1 in the photonic crystal 4 not bent, but as radiation 2 ''' is transmitted. This transmitted radiation is used to suppress scattered light as completely as possible 2 ''' of a suitable absorber material 6 absorbed within the spectrometer. Alternatively, this radiation can also be wholly or partially led out of the spectrometer.

Die Struktur des Photonischen Kristalls 4 wird weiterhin derart gewählt, dass damit das einfallende Licht 2' spektral zerlegt werden und die zu beobachtenden spektralen Eigenschaften 2'' der Probe 3, wie z.B. Linien eines Raman-Spektrums, mit hoher Beugeeffizienz gebeugt werden, während die zur Anregung verwendete Strahlung 2 gleichzeitig im Photonischen Kristall 4 transmittiert wird. Der spektrale Abstand zwischen den Bereichen, in denen Beugung auftritt, und den Bereichen, in denen Transmission auftritt, muss im Beispiel der Raman-Spektroskopie an Halbleitern zwischen 5 meV und 250 meV liegen.The structure of the photonic crystal 4 is still chosen so that the incident light 2 ' spectrally decomposed and the spectral properties to be observed 2 '' the sample 3 , such as lines of a Raman spectrum, are diffracted with high diffraction efficiency, while the radiation used for excitation 2 at the same time in the photonic crystal 4 is transmitted. The spectral distance between the areas in which diffraction occurs and the areas in which transmission occurs must be between 5 meV and 250 meV in the example of Raman spectroscopy on semiconductors.

Besteht die Struktur des Photonischen Kristalls 4, wie in 4 dargestellt, aus einer hexagonalen Anordnung von zum Beispiel luftgefüllten Poren 9 in Silizium 8, so wird das Auflösungsvermögen des Spektrometers über den Abstand a der Poren 9 voneinander bestimmt, während die Lage der Bänder und der Bandlücken vom Verhältnis des Durchmessers r der Poren 9 zum Abstand der Poren a gegeben wird. Die so definierten Strukturgrößen a und r müssen dabei von der Größenordnung der zu untersuchenden Wellenlängen sein. Für anregendes Licht mit Wellenlängen im nahen bis mittleren Infrarot, da heißt im Bereich von ca. 900 nm bis ca. 2200 nm, nehmen die Strukturgrößen a und r vorzugsweise Werte von ungefähr 1.5 μm an.Is the structure of the photonic crystal 4 , as in 4 shown, from a hexagonal arrangement of, for example, air-filled pores 9 in silicon 8th , the resolution of the spectrometer over the distance a of the pores 9 of determined each other, while the position of the bands and the band gaps depends on the ratio of the diameter r of the pores 9 is given to the distance of the pores a. The structure sizes a and r defined in this way must be of the order of magnitude of the wavelengths to be examined. For exciting light with wavelengths in the near to middle infrared, that is in the range from approx. 900 nm to approx. 2200 nm, the structure sizes a and r preferably assume values of approximately 1.5 μm.

Claims

Optical spectrometer, consisting of a radiation source ( 1 ) whose beam ( 2 ) a sample ( 3 ) applied to a photonic crystal ( 4 ) which, as a diffractive element, is from the sample ( 3 ) reflected, transmitted and / or emitted beam ( 2 ' ) and at least one detector ( 5 ), the spectroscopic properties of the diffracted beam ( 2 '' ), characterized in that the photonic crystal ( 4 ) transmitted portion ( 2 ''' ) of the beam ( 2 ' ) on an absorber ( 6 ) or out of the spectrometer.

Optical spectrometer according to claim 1, characterized in that that the photonic crystal has a structure of dielectric function which periodically varies spatially in two dimensions.

Optical spectrometer according to claim 2, characterized in that the photonic crystal has a spatial periodic variation in the structure of the dielectric function, in which the incident beam ( 2 ' ) before he encounters their variation in two dimensions, first applies such a variation in one dimension.

Optical spectrometer according to claim 1, characterized in that that the photonic crystal is a local variation of the dielectric Function, preferably defects in its periodic structure in the form from enlarged, reduced and / or omitted pores.

Optical spectrometer according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beam diffracted by the photonic crystal ( 2 '' ) first on a gap ( 7 ) is guided before the beam that is diffracted thereby ( 2 * ) at least one detector ( 5 ) acted upon.

Method for recording optical spectra, comprising the following method steps: a) providing a sample ( 3 ), b) guiding a beam ( 2 ) from a radiation source ( 1 ) to the test ( 3 ), c) bending of the sample ( 3 ) reflected, transmitted and / or emitted beam ( 2 ' ) through a photonic crystal ( 4 ) as a diffractive element and guiding the through the photonic crystal ( 4 ) transmitted portion ( 2 ''' ) of the beam ( 2 ' ) on an absorber ( 6 ) or out of the spectrometer, d) passing the photonic crystal as a diffractive element ( 4 ) diffracted beam ( 2 '' ) to at least one detector ( 5 ) and e) recording the optical spectrum in the detector ( 5 ).

A method for recording optical spectra according to claim 6, characterized in that the photonic crystal is rotatably mounted and the beam thereby diffracted ( 2 '' ) first on a gap ( 7 ) is guided and the beam diffracted thereby ( 2 * ) the detector ( 5 ) which takes up the optical spectrum.