Forschungszentrum Karlsruhe - Wissenschaftliche Berichte - FZKA 7211

Großflächige quasi freistrahloptische Mikrospektrometer

Carlos-Javier Moran-Iglesias, Arndt Last, Jürgen Mohr

Zusammenfassung
Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein neues UV / VIS-Gitter-Mikrospektrometer in Rowland-Kreisanordnung entwickelt, das einen spektralen Wellenlängenbereich von 300 nm bis 950 nm abdeckt, ein Auflösungsvermögen besser als 5 nm hat und eine Dispersion kleiner als 0,08 nm / μm aufweist.

Um diesen Forderungen gerecht zu werden, war es notwendig, die optischen Weglängen innerhalb des Spektrometers zu vergrößern. Dies hat jedoch zur Folge, dass die Außenmaße des Systems vergrößert werden. Das System wurde mit Hilfe des LIGA-Verfahrens realisiert. Da die Größe der LIGA-Masken technisch beschränkt ist, wurde ein Umlenkspiegel in das Spektrometer integriert, dessen Funktion es ist, den Strahlengang des Spektrometers räumlich zu falten. Dadurch können die Außenmaße des Systems – bei konstanten optischen Weglängen innerhalb des Spektrometers – klein gehalten werden.

Die Vergrößerung der optischen Weglängen führt, bei gleich bleibender Höhe des Hohlwellenleiters, zu einer Zunahme der Anzahl an Reflexionen im Hohlwellenleiter und damit zu einem Intensitätsverlust innerhalb des Systems durch Fresnel-Verluste. Um eine Reduzierung der Spektrometerempfindlichkeit zu vermeiden, wurde die Höhe des Wellenleiters so vergrößert, dass das Verhältnis zwischen der Höhe des Hohlwellenleiters und der optischen Weglängen praktisch unverändert bleibt. Wie in der vorliegenden Arbeit gezeigt wurde, hat diese Vergrößerung der Gitterhöhe von 340 μm auf 750 μm keinen negativen Einfluss auf die Qualität des Gitters bei röntgentiefenlithographisch hergestellten Spektrometern.

Um die Effizienz der Lichteinkopplung ins Spektrometer zu steigern, wurde das Licht über sechs übereinander liegende 125/105 μm-Fasern eingekoppelt. So nimmt der Transmissionskoeffizient durch den Eintrittsspalt und damit auch die Empfindlichkeit des Spektrometers im Vergleich zu den bisherigen Systemen zu. Die Montage und die Verklebung dieser sechs Fasern wurde durch einen neuen Entwurf des Faserhalteschachts ermöglicht. Die dadurch erzielte Empfindlichkeitssteigerung - bezogen auf das in die Faser eingekoppelte Licht - liegt bei bis zu 110%.

Das Licht soll im Wellenleiter quasi freistrahloptisch geführt werden, um die mittlere Zahl an Reflexionen im Wellenleiter zu senken. Dazu wurde eine Kollimatorlinse entwickelt, die das aus der Lichtleitfaser austretende Licht so bündelt, dass das Licht im Wellenleiter weitge-hend parallel zum Wellenleiter läuft und so weniger oft reflektiert wird.

Die Effizienz der Lichtauskopplung aus dem Spektrometer wurde verbessert. Zum einen wurde die Strukturhöhe des Auskoppelspiegels vergrößert. Dies hat den Vorteil, dass alles Licht aus dem Wellenleiter den Auskoppelspiegel auch trifft. Zum anderen wurde die Oberfläche des Auskoppelspiegels als Hohlspiegel ausgelegt, so dass das vom Auskoppelspiegel reflektierte Licht auf den Detektor fokussiert und dadurch die Überstrahlung des Detektors deutlich reduziert wird. Die Verwendung eines optimierten Auskoppelspiegels mit einer Höhe von 1230 μm führt somit zu einer Steigerung der Empfindlichkeit um über 40%.

Es wurde eine für die Herstellung des neuen Spektrometers angepasste Beryllium-Maskentechnik erarbeitet und ein neues Verfahren zur galvanischen Herstellung von Abformwerkzeugen entwickelt, das es ermöglicht in einem einzigen Formeinsatz LIGA- und Nicht-LIGA-Strukturen zu realisieren und somit Strukturen unterschiedlicher Höhe mit einem Abformwerkzeug herstellen zu können.


Abstract
In the context of this work a new UV / VIS grating microspectrometer in Rowland configuration was developed, which covers a wavelength range from 300 nm to 950 nm, has a resolving power better than 5 nm and exhibits a dispersion smaller than 0.08 nm / μm.

In order to satisfy these requirements, it was necessary to increase the optical path length within the spectrometer. This has however the important consequence, that the external dimensions of the system are increased. The system was realised by means of the LIGA-process. Since the size of the LIGA-masks is limited technically, a deflecting mirror was integrated in the spectrometer. Its function is to fold spatially the optical path of rays within the spectrometer. Thus the external dimensions of the system – keeping the optical path length constant within the spectrometer - can be kept small.

The enlargement of the optical path length leads, with the same height of the hollow waveguide, to an increase of the number of reflections in the hollow waveguide and thus to an intensity loss within the system by Fresnel reflection losses. In order to avoid a reduction of the spectrometer sensitivity, the height of the waveguide was increased so the relationship between the height of the hollow waveguide and the length of the optical path remains practically unchanged. As it was shown in the present work, this enlargement of the grating height of 340 μm to 750 μm does not have a negative influence on the quality of the grating in spectrometers manufactured with X-ray deep lithography.

To increase the efficiency of coupling light into the spectrometer, the light was coupled by means of six 125 / 105 μm fibres stacked one above the other. This increases the transmission through the entrance slit and concomitantly the sensitivity of the spectrometer compared with the existing systems. The assembly and the fixation of these six fibres were performed by means of a new design of the support structures holding the optical fibres. The thereby obtained sensitivity increases - related to the light coupled into the fibre - up to 110%.

The light should be led like quasi free space propagation in the waveguide, in order to reduce the average number of reflections within the waveguide. A collimator lens was developed to bundle the divergent light coming from the optical fibre so that the light propagates nearly parallel to the waveguide surfaces and so it is less frequently reflected.

The light decoupling efficiency of the spectrometer was improved. On one hand the height of the decoupling mirror was increased. The advantage is that all light coming from the waveguide meets the decoupling mirror. On the other hand the surface of the decoupling mirror was designed as a hollow mirror, so that the light reflected by this decoupling mirror is focused on the detector and thereby the amount of light missing the detector is clearly reduced. The use of an optimized decoupling mirror with a height of 1230 μm thus leads to an increase of the sensitivity above 40%.

A beryllium mask technology adapted to the manufacturing of the new spectrometer was worked out. A new process was developed for the galvanic fabrication of mold insert tools, which enables to realize LIGA and non-LIGA structures in a single mold insert tool and thus to be able to manufacture structures of different heights with one molding tool.

VOLLTEXT

BIBLIOTHEK