- GND
- 1214455883
- GND
- 13000930X
- ORCID
-
0000-0001-8031-4787
- ResearcherID
- FYD-0863-2022
- ResearcherID
- G-2469-2010
- SCOPUS
- 57193021875
- SCOPUS
- 6701586292
- Sonstiges
- der Hochschule zugeordnet
- GND
- 120181134
- GND
- 1148468900
- GND
- 2125187-3
Abstract in Deutsch:
Die optische Spektroskopie hat im Verlauf von 150 Jahren schrittweise Anwendungsfelder von den Grundlagenwissenschaften bis hin zur industriellen Messtechnik erschlossen. Diese Vielfalt zieht eine Spezialisierung verfügbarer Messgeräte auf einzelne Applikationen nach sich. Lücken bestehen jedoch noch im Bereich einiger Feldapplikationen, wo einerseits widriger Umgebungsbedingungen vor Ort als auch hohe Gerätekosten die Messwerterfassung in einem zentralen Analyselabor erzwingen. Dies bedeutet meist die Beschränkung auf Stichproben und ein zeitverzögertes Messergebnis, was zur Prozesskontrolle nur bedingt taugt. Die vorliegende Arbeit schlägt für den Bereich der Atomemissionsspektroskopie eine neue Variante des Echelle-Spektrometers vor: Durch Integration der beiden Dispersionsschritte, welche nach dem Stand der Technik mit zwei getrennten Elementen realisiert werden, in ein einziges Beugungsgitter kann das Gerätedesign deutlich vereinfacht und miniaturisiert werden. Potentiell erhöht dies die Robustheit und senkt die Fertigungskosten. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die Bewertung des Konzepts von Kreuz-Echelle-Spektrometern im Vergleich zu typischen Kompaktspektrometern. Besonderes Augenmerk wird auf Kenngrößen wie spektrales Auflösungsvermögen und Beugungseffizienz gelegt. Es werden die Vor- und Nachteile verschiedener Fertigungstechnologien für das Gitter diskutiert. Für den experimentellen Prinzipnachweis wird ein Kreuz-Echelle-Gitter gefertigt und für dieses ein Prototypenspektrometer ausgelegt und realisiert. Letzteres wird anhand praktischer Beispielmessungen erprobt und es werden Optimierungspotentiale benannt. Das zu fertigende Kreuz-Echelle-Gitter als Kernkomponente zeichnet sich durch die Überlagerung einer sehr tiefen und groben mit einer relativ flachen und feinen Struktur aus. Gängige Gitterfertigungsmethoden versagen hier, sodass mit der Talbot-Lithografie ein Alternativverfahren zum Einsatz kommt. Für dieses wird ein modularer und flexibler Belichtungsaufbau samt zugehöriger Softwareinfrastruktur beschrieben, um damit maßgeschneiderte Profilformen fertigen zu können. Ferner werden die Abbildungsfehler des Talbot-Effekts eingehend analysiert und deren Minimierungsmöglichkeiten aufgezeigt. Ebenso wird die Übertragung von statistischen Defekten bei der Talbot-Lithografie untersucht und auch hierfür Optimierungsmöglichkeiten abgeleitet.
Abstract in Englisch:
Over the last 150 years, optical spectroscopy has gradually developed from basic research into industrial measurement applications. This diversity requires a high degree of specialisation of measuring devices for individual applications. However, need for improvement exists, especially for field application where harsh environmental conditions as well as high acquisition cost force data acquisition into central analysis laboratories. In general, this limits process control to random sampling with high latencies. The current thesis presents a new variant of the Echelle-spectrometer for atomic emission spectrophotometry. Integration of the two dispersion steps, which by current best practise are realised by two separate elements, into one single diffraction grating may significantly simplify equipment design and allow for further miniaturisation. Furthermore, durability potentially is increased and manufacturing costs lowered. Evaluation of the Kreuz-Echelle spectrometer concept in comparison to typical compact spectrometers, for factors such as spectral resolution, and diffraction efficiency, is the main focus of the thesis. Various manufacturing approaches for the grating are assessed and their benefits and drawbacks are discussed. For the purpose of experimental verification, a Kreuz-Echelle grating is manufactured, and a corresponding prototype-spectrometer is designed and built. Spectroscopic measurements for various samples are shown, and potential flaws identified and discussed. The resulting Kreuz-Echelle grating, as the core component, has the distinction of overlaying a very deep and coarse structure with a relatively shallow and fine structure. However, as this combination proves problematic for standard grating manufacturing technologies, Talbot lithography is used as an alternative approach. A modular and flexible lithography exposure setup, as well as an appropriate software infrastructure, is described to facilitate manufacturing of customised grating groove profiles. Furthermore, optical aberrations of the Talbot effect are extensively analysed, and approaches for their minimisation are suggested. The transfer of statistical defects by the Talbot lithography is investigated as well, and potential improvements are recommended.