DE19927325A1

DE19927325A1 - Stigmatisch abbildender Toroidspiegel-Plangitter-Monochromator

Info

Publication number: DE19927325A1
Application number: DE1999127325
Authority: DE
Inventors: Ulrich Gerhardt
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-06-15
Filing date: 1999-06-15
Publication date: 2000-12-28
Anticipated expiration: 2019-06-16
Also published as: DE19927325B4

Abstract

Ein Monochromator wird vorgestellt, der im nutzbaren Wellenlängenbereich die ortsfeste Eintrittsblende stigmatisch näherungsweise im Verhältnis 1 : 1 auf die ortsfeste Austrittsblende abbildet, indem beim Verstellen der Wellenlänge der Toroidspiegel, das ebene Reflexionsgitter sowie der gegebenenfalls als Option aufgenommene Planspiegel miteinander verkoppelt so bewegt werden, daß der am Reflexionsgitter auftretende Astigmatismus durch den am Toroidspiegel erzeugten Astigmatismus gerade kompensiert wird. Der zusätzliche Planspiegel erlaubt sogar eine Anordnung der optischen Elemente, in welcher die Achse des einfallenden Strahlenbündels mit der Achse des ausfallenden Strahlenbündels zusammenfallen.

Description

Das Reflexionsvermögen der für Spiegel und Reflexionsgitter benutzten Materialien hat im Bereich des Vakuum-Ultravioletts (VUV) für Einfallswinkel zwischen 0° und ca. 60° typischerweise Werte zwischen 0,05 und 0,5. In VUV-Monochromatoren werden deshalb häufig Reflexionsgitter mit kugel- oder toroidförmigen Oberflächen verwendet, welche die dispergierenden und abbildenden Eigenschaften in einem optischen Element vereinen und so die bei mehrfacher Reflexion auftretenden hohen Intensitätsverluste vermeiden. Bei dem bekannten Seya-Namioka-Monochromator, der ein Rowland-Gitter mit kugelförmiger Ober fläche benutzt, tritt allerdings starker Astigmatismus auf, welcher die Auflösung begrenzt und zu Intensitätsverlusten führt.

Ein Beispiel für einen VUV-Plangitter-Monochromator, der bei nahezu streifender Inzidenz und damit geringen Reflexionsverlusten arbeitet, hat H. Petersen in der am 20. 01. 1983 veröffentlichten Patentschrift DE 30 45 931 C2 angegeben. Das Gerät arbeitet mit ortsfesten Eintritts- und Austrittsblenden und erzeugt an der Austrittsblende einen meridionalen Fokus. Der Einfallswinkel auf dem zur Abbildung verwendeten Rotations ellipsoidspiegel ist der für die stigmatische Abbildung des einen Brennpunktes in den anderen erforderliche Sollwinkel; der durch die nichtparallele Beleuchtung des Gitters verursachte Astigmatismus wird damit nicht kompensiert, der sagittale Fokus liegt deshalb weit hinter der Austrittsblende. Ein weiterer Schwachpunkt dieses Monochromators ist der Ellipsoidspiegel, dessen Mittelpunkt weit vom Scheitelkreis des Rototionsellipsoids entfernt ist. Solche Oberflächen sind nur schwer mit der erforderlichen Genauigkeit herzustellen, sie lassen sich außerdem nur in sehr grober Näherung durch die erheblich leichter zu fertigenden toroidalen Oberflächen ersetzen.

Im Gegensatz zum Petersen-Monochromator verwendet der hier vorgestellte Monochromator gemäß Anspruch 1 einen Toroidspiegel, dessen Mittelpunkt auf dem Scheitelkreis des durch ihn sehr gut angenäherten Rotationsellipsoids liegt; die Verwendung eines dort sehr viel leichter mit hoher Genauigkeit herstellbaren Rotationsellipsoids ist ebenso möglich. Außerdem wird als Einfallswinkel auf dem Toroidspiegel gerade nicht der Sollwinkel τ₀ = arccos[(ρ₁/ρ₂)^1/2] gewählt, welcher die stigmatische 1 : 1 Abbildung der Brennpunkte durch das Rotationsellipsoids bewirkt, dessen Halbachsen _a0 und b₀ über ρ₁ = b₀ und ρ₂ = a 2|0b₀ mit den Radien ρ₂ < ρ₁ des Toroids verknüpft sind. Für einen Einfallswinkel τ ≠ τ₀ wird die meridionale Abbildung von der in der Meridionalebene liegenden Ellipse mit den Halbachsen a und b bestimmt, die durch ρ₂ = a²/b und cos(τ) = b/a festgelegt sind, während für die sagittale Abbildung nach wie vor der Radius ρ₁ = b₀ maßgebend ist. Der damit für τ ≠ τ₀ vom Toroidspiegel erzeugte Astigmatismus wird gemäß Anspruch 1 gerade so gewählt, daß er den am Reflexionsgitter entstehenden Astigmatismus für alle Wellenlängen innerhalb des Wellenlängenbereichs des Monochromators kompen siert. Der Astigmatismus des Gitters ist durch die Beziehung |r/r'| = [cos(ϕ ± ε)/cos(ϕ ∓ ε)]² gegeben, wobei das obere bzw. untere Vorzeichen für konvergente bzw. divergente Beleuchtung des Gitters gilt und |r| der Abstand des virtuellen meridionalen Fokus vom Gittermittelpunkt ist, r' der entsprechende Abstand des reellen meridionalen Fokus.

Der Anspruch 2 betrifft eine für die Fertigung und die Anwendung bedeutsame näherungsweise Verwirklichung der erfindungsgemäß erforderlichen Bewegung der opti schen Elemente. In Anspruch 3 wird ein Beispiel für einen Monochromator nach Anspruch 1 vorgestellt, der nur das Toroid und das Gitter als reflektierende Komponenten enthält, und dieser Monochromator wird in Anspruch 4 so modifiziert, daß durch Hinzunahme eines orts festen Planspiegels die Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels zusammenfallen. In Anspruch 5 wird ein Monochromator nach den Ansprüchen 1 und 2 mit zusammenfallenden Achsen des einfallenden und des ausfallenden Bündels spezifiziert, in welchem der Toroidspiegel ortsfest bleibt und die allgemeineren Bewegungen des Refle xionsgitters und des Planspiegels durch Drehungen um Achsen senkrecht zur Meridio nalebene ersetzt werden, die nicht durch die Mittelpunkte der beiden Elemente gehen. Die in den angegebenen Beispielen erfüllte Bedingung g_w ≈ b_w zwischen Gegenstands- und Bildweite bewirkt, daß die bei stärkerem Abweichen vom 1 : 1 Abbildungsverhältnis am Toroid auftretenden Abbildungsfehler vernachlässigbar bleiben. Die Transmission der angegebenen Monochromatoren wird außerdem durch die in den Wellenlängenbereich fallende Blazewellenlänge optimiert.

Claims

1. Ein Monochromator für elektromagnetische Strahlung mit fest vorgegebenen Positionen der Eintritts- und der Austrittsblende sowie ebenfalls fest vorgegebenen Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbündels, der ein ebenes Reflexionsgitter mit der Gitterkonstanten d und dem Blazewinkel ε_b, einen durch die Radien ρ₂ < ρ₁ bestimmten Toroidspiegel oder einen von ihm angenäherten, durch die Krümmungsradien ρ₂ < ρ₁ festgelegten Rotationsellipsoidspiegel sowie als Option einen weiteren Planspiegel enthält. Die Einfallsebenen der genannten optischen Elemente fallen in der Meridionalebene zusammen, die Striche des Reflexionsgitters stehen senkrecht auf der Meridionalebene, welche auch die Mittelpunkte der genannten optischen Elemente sowie die Rotationsachse des Ellipsoid- bzw. Toroidspiegels enthält. Die in der Meridionalebene entlang der Bündelachsen gemes senen Lichtwege zwischen dem Mittelpunkt des Toroid- oder Ellipsoidspiegels und der Eintritts- bzw. Austrittsblende sind die Gegenstands- bzw. Bildweiten g_w und b_w. Die Blazewellenlänge λ_b, die sich in der Beugungsordnung m aus der Gittergleichung mλ = 2dcos(ϕ)sin(ε) für ε = ε_b ergibt, fällt in den Wellenlängenbereich des Monochromators, wobei ϕ+ ε der von der Gitternormalen gemessene Einfallswinkel ist und ϕ- ε der entsprechende Ausfallswinkel. Dieser Monochromator ist dadurch gekennzeichnet, daß im gesamten Wellenlängenbereich des Monochromators die Eintrittsblen de stigmatisch auf die Austrittsblende mit g_w ≈ b_w abgebildet wird, indem mit der zur Einstellung der Wellenlänge λ erforderlichen Rotation des Reflexionsgitters um eine Achse, welche senkrecht auf der Meridionalebene steht und welche den Mittelpunkt des Gitters enthält, zweckentsprechend analoge Rotationen der anderen sowie Trans lationen der Mittelpunkte aller optischen Elemente in der Meridionalebene verknüpft werden, wobei sich die zweckentsprechenden Bewegungen der zwei bzw. drei ge nannten optischen Elemente unter Beachtung der oben aufgeführten geometrischen Bedingungen aus der für die erfindungsgemäße stigmatische Abbildung erforderlich en Kompensation des bei nichtparalleler Beleuchtung am Gitter entstehenden Astig matismus mit dem für den Einfallswinkel τ ≠ arccos[(ρ₁/ρ₂)^1/2] vom Toroidspie gel erzeugten Astigmatismus ergeben. Der Astigmatismus des Gitters ist durch die Beziehung |r/r'| = [cos(ϕ ± ε)/cos(ϕ ∓ ε)]² gegeben, wobei das obere bzw. untere Vorzeichen für konvergente bzw. divergente Beleuchtung des Gitters gilt und |r| der Abstand des virtuellen meridionalen Fokus vom Gittermittelpunkt ist, r' der entspre chende Abstand des reellen meridionalen Fokus. Für τ ≠ τ₀ wird die meridionale Abbildung des Toroidspiegels durch 2/a = 1/g_w + 1/b_m mit ρ₂ = a²/b und b/a = cosτ beschrieben, seine sagittale Abbildung durch 2cosτ/ρ₁ = 1/g_w + 1/b_s, wobei die Bildweiten b_m und b_s den Abstand der meridionalen und sagitalen Bildpunkte auf der Achse des reflektierten Bündels vom Mittelpunkt des Toroidspiegels angeben.

2. Ein Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweckentsprechende Kombination der Drehung um eine senkrecht zur Meridionalebene stehende und den Mittelpunkt des betreffenden optischen Elements enthaltende Achse mit einer Verschiebung dieses Mittelpunkts in der Meridional ebene für den Wellenlängenbereich des Monochromators näherungsweise ersetzt wird durch eine reine Drehung um eine senkrecht zur Meridionalebene stehende Achse, welche den Mittelpunkt des betreffenden optischen Elements nicht enthält.

3. Ein Monochromator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Achse des einfallenden Strahlenbündels durch den Mittelpunkt des durch ρ₁ = 174,4 mm und ρ₂ = 697.4 mm gekennzeichneten Toroidspiegels geht und daß für die Werte mλ = 265,3 nm, 150 nm und 127,9 nm die Gegenstandsweiten g_w = 347.8 mm, 383.7 mm und 410.7 mm und die dazugehörigen Einfallswinkel τ = 63,38°, 62,97° und 62,09° betragen,
daß die Strahlung vom Toroidspiegel auf das Reflexionsgitter mit der Gitter konstanten d = 833,3 nm fällt, wobei sich beim Verdrehen des Gitters dessen Mittel punkt entlang der raumfesten Achse des ausfallenden Strahlenbündels bewegt, daß für die drei angegebenen Werte von mλ der Abstand h seines Mittelpunktes von der Achse des einfallenden Strahls die Werte h = 82,64 mm, 60,00 mm und 43,31 mm annimmt, daß die dazugehörigen Winkel die Werte ϕ= 37,30°, 36,89° und 36,01° so wie ε = 11,55°, 8,63° und 5,44° haben, daß wegen des 8,63° betragenden Blazewinkels des Gitters die Blazewellenlänge des Monochromators durch mλ_b = 200,0 nm gegeben ist, daß für mλ = 200,0 nm außerdem g_w = b_w gilt, wodurch auch die im Gegensatz zum Gittermittelpunkt ortsfeste Lage der Austrittsblende spezifiziert ist
und daß dieser Monochromator erfindungsgemäß innerhalb des Wellen längenbereichs von mλ = 128 nm bis mλ = 265 nm für jede eingestellte Wellenlänge an der Austrittsblende ein stigmatisches Bild der Eintrittsblende erzeugt.

4. Ein Monochromator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein ortsfester Planspiegel eingeführt wird, dessen Mittelpunkt mit dem Schnittpunkt der Achsen des einfallenden und des ausfallenden Strahlenbün dels zusammenfällt und der die Strahlung in die dann auf der Verlängerung der Achse des einfallenden Strahlenbündels in der Bildweite b_w montierte Austrittsblende leitet.

5. Ein Monochromator nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Mittelpunkte der Eintrittsblende (2) und der Austrittsblende (3) auf der Achse des einfallenden Strahlenbündels liegen und einem Abstand von 816,4 mm voneinander haben,
daß die Achse des einfallenden Strahlenbündels durch den Mittelpunkt des durch ρ₁ = 174,4 mm und ρ₂ = 697.4 mm gekennzeichneten Toroidspiegels (4) geht und daß die Gegenstandsweite g_w = 422.7 mm, d. h. der Abstand des Mittelpunktes dieses Toroidspiegels von der Eintrittsblende (2) ebenso unabhängig von der eingestellten Wellenlänge ist wie der Einfallswinkel τ = 65.64° der Achse des auf ihn treffenden Bündels,
daß die Strahlung vom Toroidspiegel auf das Reflexionsgitter (5) mit der Gitterkonstanten d = 833,3 nm fällt und daß dieses Gitter entsprechend der einzustel lenden Wellenlänge um eine Achse verdreht wird, welche durch den Punkt (6) in der Meridionalebene geht und auf dieser Ebene senkrecht steht, wobei die parallel zur Achse des einfallenden Bündels und senkrecht dazu zur Seite des Gitters hin gemes senen Abstände des Punktes (6) von der Eintrittsblende 388,4 mm und 73, 7 betragen,
daß die Strahlung vom Reflexionsgitter auf den Planspiegel (7) fällt, der durch eine an die Drehung des Gitters gekoppelte Rotation um die durch den Punkt (8) in Meridionalebene gehende und senkrecht auf ihr stehende Achse so verdreht wird, daß für das eingestellte λ die Achse des von ihm zur Austrittsblende (3) hin reflektierten Strahlenbündels mit der Achse des einfallenden Bündels zusammenfällt und daß die wie oben gemessenen Abstände des Punktes (8) von der Eintrittsblende 408,1 mm und 32,0 mm betragen,
daß für mλ = 150 nm der Mittelpunkt des Reflexionsgitters einen Abstand von 43,0 mm von der Achse des einfallenden Bündels hat,
daß die Winkel ϕund ε für mλ = 251,1 nm, 150,0 nm und 100,5 nm die Werte ϕ= 42,56°, 53,14° und 60,24° sowie ε = 11,80°, 8,63° und 6,98° annehmen, daß wegen des 8,63° betragenden Blazewinkels des Gitters die Blazewellenlänge des Monochromators durch das Produkt mλ_b = 150,0 nm gegeben ist, daß für mλ = 150,0 nm außerdem g_w = b_w gilt
und daß dieser Monochromator erfindungsgemäß innerhalb des Wellen längenbereichs von mλ = 100 nm bis mλ = 250 nm für jede eingestellte Wellenlänge an der Austrittsblende ein stigmatisches Bild der Eintrittsblende erzeugt.