Hilfe bei Aufbau/Komponentenauswahl für Punktbeleuchtung

[Pflunz]

Hallo erstmal,

ich bin Gerald und schreibe gerade meine Diplomarbeit in Physik.

Für meine Diplomarbeit soll ich punktweise das (Raman-)Spektrum einer Probe aufnehmen. Hierfür wird über die Probe in µm Schritten gerastert. (Eigentlich ist es ein AFM, das eben um diese Fähigkeit erweitert werden soll).
Hierfür wäre ein sehr kleiner Beleuchtungspunkt natürlich von Vorteil. Die Standard fokussierbaren LASER scheinen alle so auf 100µm Fokuspunkt zu kommen.
Jetzt gibt es natürlich Randvorgaben:

Ich soll so nahe wie möglich an die Spitze des AFM

auf diese Spitze wird seitlich ein Laser gerichtet, der wieder reflektiert und ausgewertet wird.

Das bedeutet ich habe einen Gewissen Abstand zur Oberfläche. Dieser Abstand wird umso größer, je größer die Optik ist.
Hier ein paar Möglichkeiten:
4-6mm über der Oberfläche --> Durchmesser Optik etwa 3mm
6-100mm --> Durchmesser Optik etwa 5mm
über 10cm --> Platz ohne Ende
40µm über der Oberfläche --> <1mm

Die Einschränkungen sind eben durch das AFM gegeben.

afm.jpg

Damit ich keinen ärger von meinem Prof bekommen, mal ein Bild, etwas mit paint bearbeitet, damit man sich was vorstellen kann. Das gelbe ist der LASER

Jetzt ist die Frage, wie klein bekomme ich den Spot der Beleuchtung? um die 10µm ist anvisiert. Fürs erste ist alles unter 1000€ akzeptabel.

Die Wellenlänge des LASERs ist ersteinmal egal, es sollte nur im sichtbare sein. Energie des LASERs sollte in der Region sein, dass er Hell genug fürs Spektrometer ist, aber eben nicht unbedingt die Probe durchbrennen.

Habt ihr da eine herangehensweise? Ihr wisst wahrscheinlich besser, was es zu kaufen gibt, und was nicht. Mir fehlt da leider der überblick

Danke schonmal

Grüße
Gerald

[Pflunz]

ok, ich merke schon, so wird das nichts ^^

dann frage ich einfach mal, ob es möglich ist mit einem Diodenlaser in die 10µm zu kommen, oder ob ich komplett andere laser brauche

[VDX]

... wenn du auf Leistung verzichten kannst, dann probiers mit möglichst großer Strahlaufweitung und einer Lochblende ... damit solltest du ohne viel weiteren Aufwand in den Bereich um die 20µ kommen können ... 10µ und darunter sind schon eine Herausforderung, das schaffe ich bisher nur mit dem Faserlaser

Viktor

[afrob]

Irgendwie habe ich 'ne Weile gebraucht, zu verstehen, dass das Bild oben das AFM zeigt und nicht das Spektrometer, das du aufbauen willst.
Woher kommt denn dein Raman-Spektrometer? Dessen Daten bestimmen grob, welchen Laser du überhaupt einsetzen kannst.
Wie "sieht" das Spektrometer denn die Probe? Nützt ja nix wenn wir dir jetzt zu einer tollen Laserdioden-Optik raten, wenn du
auf der selben optischen Achse auch die Streustrahlung zum Spektrometer bringen musst.

Grüße,
afrob

[undineSpektrum]

Hallo,

eventuell hat sich Deine Frage ja schon erledigt ... falls nicht, kann ich Dir vielleicht folgende Hinweise geben:

Zum ersten : Ich meine aus Deinen Ausführungen entnommen zu haben, was Du machen willst - Dein Problem hat mit der Raman-Streuung gar nichts zu tun - Du willst einen Positionsdetektor für Dein AFM ( Atomic-Force-Microscope / zu deutsch : Rasterkraftmikroskop ) entwickeln / verbessern.
Dein Detektor - das legt Deine Skizze jedenfalls nahe - ist ein Vier-Quadranten-Detektor, der die Position des auftreffenden Lichtfleckes auf der Fläche und seine Bewegung wiederzugeben erlaubt ... und dafür muß der Lichtpunkt ( der von einem kleinen Oberflächenspiegel am Arm des ATM reflektiert wird ) natürlich möglichst klein sein, damit die Positionsgenauigkeit auf dem Vier-Quadranten-Detektor möglichst groß ist / eine möglichst hohe Ortsauflösung erreicht wird. (?)
Der Lichtfleck soll so um die 10µm breit sein - das weißt Du also schon. Du schreibst daß die Wellenlänge egal ist - die meisten AFM-Geräte arbeiten mit Laserdioden im Wellenlängenbereich von 810 - 630 nm, also mit roten und infraroten Dioden... allerdings hängt das auch von Deinem Detektor ab... die Wellenlänge solltest Du also möglichst klein wählen, wenn der Fleck auf dem Spiegel sehr klein werden soll. Zum Fokussieren empfehle ich das Standardwerkzeug - eine einfache Glaslinse oder ein kleines Kepler-Teleskop. Für eine Rechnung mußt Du - und das solltest Du als angehender Physiker ja eigentlich wissen - zuerstmal Deine Strahldaten ermitteln ( Divergenzwinkel / Strahltaillenradius ) und den Abstand des Lasers von dem Spiegel ... Die Größe deine Lichtflecks kannst Du dann mit Hilfe vom ABCD - Gesetz errechnen, dafür gibt´s ja eine einfache Formel, wenn Du die Wellenlänge, die Brennweite Deiner Linse / Optik f Abstände der Diode g und den Oberflächenspiegel b kennst. Diese Formeln bestimmen dann die Fokuslage und den Fokusradius auf dem Spiegel deines AFM. Der Radius des Brennflecks ist dann w[f] = f/(z[0]^2+(g-f)^2) mit der Rayleigh-Länge z[0], die sich aus dem Strahlparameterprodukt ( Theta*w[f]=Wellänge/Pi ) ergibt. (Das Strahlparameterprodukt bleibt ja bei einem Gaußstrahl (idealer Laserstrahl) immer gleich groß - Unschärferelation der Lasertechnik (!)), Dein Brennpunkt liegt dann im Abstand b=f+(g-f)*((f^2)/((g-f)^2+z[0]^2)) - damit solltest Du in der Praxis hinkommen. Falls nicht - oder wenn Du die Formeln hier nicht verstehst oder aus schrifttechnischen Gründen nicht lesen kannst - kannst Du ja weiter fragen.
Hinweis für dich als angehender " Kollege ": Die Begriffe und Berechnungen findest Du unter der Rubrik "Transformation eines Gaußstrahls" sowie "ABCD-Gesetz" sehr genau erklärt - denn in einer Diplomarbeit macht sich Hintergrundwissen ( und wenn Du dort zeigst dass Du es weißt ! ) bezahlt, wobei das auch wieder mit dem Prüfungsthema variiert ... leider gehen auch im Internet viele Beiträge zu dem Thema auseinander, und erklären meist nur einen Teil sehr zuverlässig. Wenn Du Linsen beschaffen möchtest kannst Du das am besten bei der Fa. Qioptik / Linos Photonics Nachfolger in Göttingen - die haben nicht nur chromatisch korrigierte Linsen sondern beraten Dich Online oder am Telefon, wenn Du rechnerisch abgeschätzt hast, welche Optiken Du für das Problem brauchst. An die Forenaufsicht und alle anderen Teilnehmer der Verhaltensordnung halber hier : Dieser Beitrag soll hier keine Werbung oder für Bevorzugung dieses Optikherstellers sein (!), ich schreibe das hier deshalb, weil es garantiert irgendwelche "Buden" gibt die Preiswerte und vielleicht auch sehr gute Optiken herstellen - aber als Student jemand meist noch die Erfahrung nicht hat was geeignet ist - vielleicht zum ersten Mal eine Optik einkauft und dann schnell sehr viel Geld los ist... und der Abgabetermin dann verschoben werden muss ... also nicht falsch verstehen! Falls Ihr anderer Meinung seid dürft Ihr diese Passage hier - selbstverständlich - einfach streichen.

Grüße,

Undine

[Pflunz]

Hi,

danke für die Antwort.

Zum anschaulichen darstellen was wir gerade machen. Unser Hauptaugenmerk liegt auf Rasterkraftmikroskopie im großen Bereich von bis zu 2,5cm x 2,5cm. Hier ist z.B. über letztes Wochenende folgendes Bild enstanden:

Chip(1).jpg

(Wie man sieht gab es in der Mitte ein Fehler, war aber eh nur ein Probelauf)
Man sieht darauf einen recht alten OPV mit 1,2 x 1,25mm²
Mittlerweile bin ich dazu über gegangen nicht nur mit einer Wellenlänge zu beleuchten, sondern mit weißem Licht.
Ich beleuchte immer einen Punkt, un nehme dort dann das Reflektionsspektrum auf.
Während der Messung lasse ich mir dann von jedem Punkt dann die drei RGB Werte berechnen, damit man erkennt ob es funktioniert oder nicht.

Chip2.jpg

Wegen schlechtem Weissabgleich sieht das eher gelb aus.
Am Ende der Messung, kann ich mir dann interessante Wellenlängen anzeigen lassen, und mir davon dann die Intensität anzeigen lassen:

intensity.png

Wie man sieht, ist das Bild hier deutlich schärfer (da nur kleiner Wellenlängenbereich), da ich bis jetzt normale PCX Linsen verwende (Im übrigen von Edmund Optics). demnächst werde ich wohl Achromaten verwenden.
Der Aufbau ist übrigens folgender:
400µm Phaser, Strahl wird auf 15mm aufgeweitet, dann mit einer einfachen Linse (d=15mm, f=30mm) kollimiert, anschließend mit einer Irisblende nur zwischen 1-4mm durchgelassen, und 6mm über der Oberfläche mit einer Linse (4mm Durchmesser, f=6mm) fokussiert.

Dieser Chip soll nicht die Endanwendung sein, da er eigentlich zu klein ist. Man erkennt hier aber relativ gut das Auflösungsvermögen, wie es bis jetzt ist. Berechnet sollte das ein Auflösungsvermögen von: A= 400µm * (6mm/30mm) * (4mm/15mm) = 21µm ergeben, was en etwa ja hin kommt.

[undineSpektrum]

Hallo Pflunz ... ,

nochmal Danke für die Information zu dem was Ihr gerade in eurer AG macht ... ich sehe schon, die Diplomarbeit ist inzwischen weiter fortgeschritten und Deine Problemstellung scheint gewechselt zu haben.
So wie ich Deinen Post verstanden habe erzeugst Du die Ortsauflösung jetzt mit weißem Licht, welches - wie Du schon festgestellt hast - einen größeren Lichtfleck erzeugt, als wenn Du einen kleinen Wellenlängenbereich benutzt - und dieser ist zudem breiter ( bestimmt durch die untere Grenze Deines Wellenlängenspektrums bei idealer Abbildung ... ) Die Verbesserung der Bildqualität der von den verschiedenen Wellenlängen erzeugten Bilder eliminierst Du weitgehend dadurch, daß Du das Bild rechnerisch auf einen schmalen Wellenlängenbereich am PC eingrenzt, wodurch sich die Ortsauflösung tatsächlich etwas verbessert - Du filterst nicht die Lichtquelle ( Intensitätsverlust bei weißem Licht ) sondern das aufgezeichnete Bild, welches Du zuvor optimiert hast. Das Spektralband um die 500 nm benutzt Du, weil die Detektoren nach der Dreifarbentheorie hier ein Maximum der Empfangsempfindlichkeit haben und keine zu große Wellenlänge verwendet wird ... ?
Hat sich Deine Frage damit erledigt? - Ich habe noch eine Frage an Dich : Welche "weiße" Lichtquelle verwendest Du? (LED o.ä.?)
Es interessiert mich, da ich auch mich mit der Positions- und Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe der Weißlichtinterferometrie beschäftige... ist zwar etwas anderes als Deine Aufgabe, hat aber eine gewisse Ähnlichkeit was die Lichtquellen anlangt...

Schonmal Danke für Deine Antwort im Vorab.

Grüße,

Undine

[Pflunz]

Hi,

nein, im Bild habe ich die 500nm genommen, weil diese einfach am schärfsten waren.
Im Prinzip habe ich ja für jede Wellenlänge einen Lichtpunkt, der je nach Wellenlänge größer oder kleiner ist. Das liegt aber nicht an der Beugungsgrenze oder ähnliches, sondern einfach an meiner Optik, da diese nur eine Wellenlänge fokussieren kann, alle drum herum sind nicht genau im Fokus, weshalb der Lichtfleck größer wird.
Ein Bild mit 600nm sieht recht ähnlich aus, ist allerdings etwas unschärfer.
Für das weiße Licht verwende ich eine Halogenlampe. Diese hat den Vorteil, dass ich die Lichtfaser direkt anschließen kann, und die homogenere spektrale Verteilung des Lichtes (im Gegensatz zur LED, welche prinzipiell eine blaue LED, mit einer Phosphorschicht zum Wellenlänge verschieben, ist)

[undineSpektrum]

Also ist Deine Optik für 500 nm ideal oder optimal ausgelegt ... das wollte ich wissen. Danke Dir.

Grüße,

Undine