Published June 29, 2020 | Version v1
Miscellaneous

Talbot lithography and its application to the realisation of a cross-echelon spectrometer

Description

Over the course of 150 years, optical spectroscopy has gradually opened up fields of application ranging from basic science to industrial measurement technology. This diversity has led to a specialisation of available measuring instruments for individual applications. However, there are still gaps in the area of some field applications, where adverse environmental conditions on site as well as high equipment costs force the acquisition of measured values in a central analysis laboratory. This usually means a limitation to random samples and a time-delayed measurement result, which is only of limited use for process control. The present work proposes a new variant of the Echelle spectrometer for the field of atomic emission spectroscopy: By integrating the two dispersion steps, which are realised with two separate elements according to the state of the art, into a single diffraction grating, the device design can be significantly simplified and miniaturised. Potentially, this increases robustness and lowers manufacturing costs. The focus of the work is to evaluate the concept of cross-echelon spectrometers in comparison to typical compact spectrometers. Special attention is paid to parameters such as spectral resolving power and diffraction efficiency. The advantages and disadvantages of different grating fabrication technologies are discussed. For the experimental proof of principle, a cross-echelon grating is fabricated and a prototype spectrometer is designed and realised. The latter is tested by means of practical example measurements and optimisation potentials are identified. The cross-echelon grating to be manufactured as a core component is characterised by the superposition of a very deep and coarse structure with a relatively shallow and fine structure. Conventional grating production methods fail here, so that an alternative process is used in the form of Talbot lithography. A modular and flexible exposure set-up is described for this, together with the associated software infrastructure, so that customised profile shapes can be produced. Furthermore, the imaging errors of the Talbot effect are analysed in detail and their minimisation possibilities are shown. The transmission of statistical defects in Talbot lithography is also investigated and optimisation options are derived.

Availability note (English)

Available from: http://opac.lbs-ilmenau.gbv.de/DB=1/LNG=DU/PPN?PPN=1725495783

Abstract (German)

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.

Additional details

Additional titles

Original title (German)
Talbot-Lithografie und deren Anwendung zur Realisierung eines Kreuz-Echelle-Spektrometers

Publishing Information

Imprint Pagination
167 p.

INIS

Country of Publication
Germany
Country of Input or Organization
Germany
INIS RN
53002418
Subject category
S46: INSTRUMENTATION RELATED TO NUCLEAR SCIENCE AND TECHNOLOGY;
Resource subtype / Literary indicator
Thesis, Non-conventional Literature
Descriptors DEI
DIFFRACTION GRATINGS; EMISSION SPECTROSCOPY; FINE STRUCTURE; OPTIMIZATION; PROCESS CONTROL; SPECTROMETERS; TIME DELAY
Descriptors DEC
CONTROL; MEASURING INSTRUMENTS; SPECTROSCOPY