Optische Bauelemente für die Spektroskopie

Jedes Gerät für die optische Spektroskopie besteht aus einer Anzahl Bauelemente zur Beeinflussung von Lichtwegen und Strahlgeometrien. Dabei handelt es sich entweder um Linsensysteme oder um Spiegel.

Je nach Spektralbereich bestehen Linsen aus Quarz, Silikaten, ZnSe usw.. Ihnen allen gemeinsam sind jedoch eine Reihe von Nachteilen. Immer dann, wenn Licht in (oder durch) ein Medium mit abweichender optischer Dichte trifft, kommt es zu Ablenkungen vom gewollten Weg. Physikalisch wird dieses Verhalten durch das Brechungsgesetz beschrieben. Das Problem dieser Ablenkungen ist, daß sie wellenlängenabhängig sind (chromatische Aberrationen). Anders ausgedrückt: der Brennpunkt einer Sammellinse ist für jede Wellenlänge verschieden, deshalb ist eine für 500 nm justierte Optik im UV- und NIR-Bereich nicht mehr justiert. Ein weiterer Nachteil von Linsensystemen sind ihre starken Transmissionsverluste besonders im IR-Spektralbereich, was eine spürbare Verschlechterung des Signal/Rausch-Verhältnisses mit sich bringt. Linsensysteme werden aufgrund ihres deutlich geringeren Platzbedarfes gerne bei beengten Verhältnissen verwendet. In hochwertigen Spektrometern und Meßzusätzen bzw. für anspruchsvolle Aufgaben sollten sie jedoch wegen der geschilderten Nachteile keine Verwendung finden. Die klar bessere Alternative sind Spiegelsysteme.

Auch bei Hohlspiegeln, dem Pendant zur Sammellinse, können Aberrationen auftreten. Strahlen, die den Rand des Hohlspiegels treffen, werden näher am Spiegel fokussiert als Strahlen, die nahe dem optischen Mittelpunkt auf den Hohlspiegel fallen (sphärische Aberration, linke Abbildung). Eine Möglichkeit, Randstrahlen zu vermeiden, wäre die Verwendung von ringförmigen Blenden. Allerdings bedeutet das wiederum einen unnötigen Energiedurchsatz-Verlust.

Verwendet man Parabolspiegel, gehen auch die Randstrahlen ohne Verluste durch den Brennpunkt (rechte Abbildung). Eine analoge Wirkung auf Randstrahlen haben auch Ellipsoidspiegel. Im Unterschied zu Parabolspiegeln bündeln Ellipsoidspiegel den Lichtstrahl ein zweites Mal („konjugierter Fokus“).