Mikro-Forum

Hallo,

ich habe im Forum einige sehr interessante Beiträge auch zur Raman-Spektroskopie gefunden und möchte daher mit einem eigenen Projekt beitragen.

Zuerst möchte ich mich kurz vorstellen: ich bin Christian, ehemaliger Physiker und jetzt im Ruhestand. Als Hobbies interessieren mich unter Anderem Aspekte der Optik wie Astrofotografie (leider wegen der Wolken in Norddeutschland zur Zeit kaum möglich), Mikroskopie (Leica DMLB, Zeiss Stemi) und insbesondere optische Spektroskopie.

Für die Spektroskopie versuche ich gerade ein Raman-Mikroskop aufzubauen. Es handelt sich um einen Neubau, der aber auf einem älteren Projekt basiert. Der erste Aufbau entstand während eines 9 Monate Lock-Down unserer Labore während der Corona-Pandemie. Für einen Praktikumsversuch habe ich aus dem ,,Abfall" einer Laborauflösung, Ebay Gebrauchtteilen und Selbstbauteilen ein Raman-Mikroskop aufgebaut. Damit konnten die Studierenden Online eigene Versuche machen. Deshalb war das Raman-Mikroskop weitgehend motorisiert und Software-gesteuert. Untersuchungsgegenstände waren einmal Graphen (siehe Beispiel) und dann Halbleiter-Proben. Nach dem Lock-down wurde das in vielen Punkten doch ziemlich provisorisch aufgebaute Raman-Mikroskop Version 1 durch einen besseren Aufbau auf einem optischen Tisch ersetzt und außer Betrieb genommen.

Jetzt im Ruhestand wollte ich das alte Raman-Mikroskop zuerst entsorgen, habe mich aber dann entschieden es zu zerlegen und noch einmal ordentlich neu aufzubauen.

Konzept: Für das Raman-Mikroskop wird kein vorhandenes Mikroskop umgebaut, sondern es wird nach eigenen Ideen neu aufgebaut. Das macht zwar mehr Arbeit (oder Spaß) bietet nach meiner Meinung aber auch mehr Flexibilität. Es wird ein Auflichtmikroskop mit einer LED und 2 Lasern als Lichtquellen. Dann kann über einen Kipp-Spiegel zwischen Abbildung (Kamera) und Spektroskopie umgeschaltet werden. Das zentrale Bauelement ist ein 40x40 mm Alu-Profil, das als Ständer auf eine 10 mm dicke Alu-Lochplatte gesetzt ist.

Probenbühne: Auf der Lochplatte ist auch die motorisierte Probenbühne montiert. Die alte schön kompakte Probenbühne war leider defekt, daher musste eine neue aufgebaut werden. Jetzt werden drei Linear-Führungen (xyz) über Schrittmotoren angetrieben. Das ganze ist eher rustikal und ziemlich groß, funktioniert aber ganz manierlich. Rein rechnerisch ergibt ein Schritt der Motoren einen Vorschub von 100 nm, allerdings ist das ein eher theoretischer Wert. Mit etwas Software zur Kompensation des Umkehrspiels sollte eine Positioniergenauigkeit von etwa 500 nm möglich sein.

Objektiv-Revolver: An dem Ständer befindet sich vorne ein optisches Schienensystem. Darauf sitzt als unterster Reiter ein Objektiv-Revolver mit Platz für 5 Objektive. Die meisten Objektive sind von Olympus mit aktuell 5x, 20x, 50x und 80x.

Strahlteiler: Oberhalb des Objektiv-Revolvers sitzt ein einstellbarer geometrischer (Transmission:Reflexion) 90:10 Strahlteiler-Würfel. Das ist unüblich für ein Raman-Mikroskop, da dort normalerweise Farbcodierte dichroitische Strahlteiler eingebaut werden. Bei einem dichroitischen Strahlteiler kommt das Laserlicht zur Probe und das von der Probe emittierte Licht mit normalerweise größerer Wellenlänge (ohne die Laserstrahlung) zum Detektor. Allerdings ist ein dichroitischer Strahlteiler auf eine bestimmte Laserwellenlänge festgelegt. Der hier verwendete geometrische Strahlteiler leitet 10% des Laserlichts zur Probe und 90% der Probenemission zum Detektor. Das bedeutet, die Laserleistung wird erheblich abgeschwächt und man benötigt einen separaten Laserfilter, um das Laserlicht aus den Spektren auszublenden. Hier denke ich über einen Doppelmonochromator nach, wobei der erste Monochromator die Funktion des Laserfilters übernimmt. Als weiteren Vorteil eines geometrische Strahlteilers ist bei Bedarf der Laserstrahl auch im hinteren Teil des Aufbaus sichtbar, was die Justage erheblich vereinfacht.

Laserwechsler: seitlich am Stativ sitzt der Laserwechsler, der eine motorisierte Umschaltung zwischen der LED-Köhler-Beleuchtung (3 Linsen, 2 Iris-Blenden) und zwei Lasern mit individuellen Filtern erlaubt. Bei dem Entwurf der LED-Köhler-Beleuchtung wurde ich vor vielen Jahren im Forum sehr kompetent beraten, dafür noch einmal vielen Dank. Die Filter vor den Lasern filtern höhere Wellenlängen aus der Laserstrahlung aus. Aktuell sind billige Laserpointer (grün und blau) eingebaut mit nominell 1 mW Leistung. Gemessen habe ich 50 mW für den grünen und 70 mW für den blauen (Sicherheit !!!) . Das wird dann durch den Strahlteiler auf leider 5 oder 7 mW reduziert, hoffe es reicht.

ToDo: Oberhalb des Laserwechslers sitzt ein einstellbarer Umlenkspiegel auf die Rückseite des Stativs. Dort kommen die Mikroskop-Kamera mit einem Flipp-Spiegel und mehrere motorisierte Filter hin. Dann eine Linse zur Einkopplung in den Eingangsspalt des ersten Monochromators. Der Doppelmonochromator wird voraussichtlich aus zwei einfachen Gitter-Monochromatoren mit jeweils 200 mm Brennweite zusammen gesetzt und einer gekühlten Astro-Kamera als Detektor.

Aktuell funktioniert die Probenbühne und die Einkopplung der Beleuchtung, es bleibt aber noch sehr viel zu tun. Bei Interesse kann ich gern weiter berichten.

Viele Grüße
Christian

Richtig gutes Zeug!  8)

Hallo Christian,

tolles Projekt und spannender Aufbau, ich wäre auf jeden Fall an weiteren Berichten interessiert!

Viele Grüße
Kay

Yes, please keeps us in the update loop, please.

Best Maarten

Hallo Christian,
willkommen im Klub der Raman-Fritzen! Spannendes Vorhaben.

Bin zwar nicht der Experte (das ist sicher TStein hier im Forum, aber der ist außer Konkurrenz, weil Profi). Trotzdem einige Anmerkungen vom Bastler.

1) Vermisse eine Beobachtungsmöglichkeit durchs Okular. Dafür soll sicher die Kamera dienen. Irgendwie muß man ja fokussieren und dabei möglichst gleichzeitig den Laserfleck im Objekt sehen können, um auch den zu fokussieren. Dabei ist die Laser-Sicherheit zu beachten, es muss sichergestellt sein, dass bei Beobachtung der Laser stark abgeschwächt ist. Gilt auch für die Kamera, die sonst hoffnungslos übersteuert ist. Ich habe das mit einem Schieber im Beobachtungsstrahlengang gelöst, mit zwei Stellungen: einmal mit speziellem Laser-Sperrfilter mit OD > 6 zur Messung, die andere mit einem schlechten Laser-Sperrfilter, der nur noch eine Spur des Anregungslichts durchläßt, ansonsten für Weißlicht durchlässig ist. Dadurch ist in jedem Fall Sicherheit fürs Auge gewährleistet.

2) Warum ein blauer Laser? Bringt nur viel Fluoreszenz der Probe, vom gewünschten Raman-Signal nicht zu trennen. Besser ein roter Laser, üblich 638 nm. Kaum Fluoreszenz, dafür aber geringere Auflösung, insbesondere aber viel geringere Raman-Intensität, da proportional zu 1/Lambda hoch 4.

3) China-Laser habe ich auch zuerst eingesetzt, spottsbillig, aber nach den ersten Versuchen vermüllt, da miserable Strahlqualität. Jetzt ist ein Roithner-Laser 532 nm 50 mW zu 120 Euro drin, der tut's. Die 5-7 mW bei Dir werden nicht reichen, hängt aber auch von der Detektorempfindlichkeit ab. Mit 50 mW komme ich auf ca. 17 mW im Präparat, das könntest Du auch erreichen. Wie hast Du die 50/60 mW gemessen? Laser-Leistungsmesser?

4) Wie wäre es mit einem Laser-Langpassfilter für 532 nm statt Doppelmonochromator? Ist einfacher zu handhaben, hat eine hohe Durchlässigkeit für das Raman-Signal und liegt preislich bei rund 500 Euro. Man ist dann aber an eine Wellenlänge gebunden.

Bin gespannt auf Deine Experimente,
Viele Grüße aus Bonn
Horst
 

Hallo,

vielen Dank für die sehr freundlichen und positiven Reaktionen.

@ Horst
1) Ein Okular ist nicht vorgesehen, daher gibt es hier keine Sicherheitsprobleme. Der Fokus des Aufbaus ist Spektroskopie und das Mikroskop ist nur zum Finden der richtigen Probenposition und zum Fokussieren. Das geht gut mit einer Kamera.
Die Leistung der Laserpointer lässt sich über mindestens 3 Größenordnungen über ein Stromgeregeltes Netzteil einstellen, ist aber leider nicht sehr stabil. Der niedrigste Wert bei dem grünen ist weniger als 1 µW. Das können die Kamera und der Detektor noch gut ab. Zusätzlich soll noch ein motorisierte ND-Filter rein. Für Spektroskopie mit höherer Laserleistung kann bei dem grünen Laser ein motorisierter Longpass-Filter 550 nm (FELH550) eingefahren werden, bei dem blauen ein 450 nm Filter.


2) Der blaue Laser lag gerade rum. Mir geht es aktuell nur um das Testen des Laserwechslers. Der Umbau  z.B. auf einen roten dauert typisch weniger als eine Minute plus etwas Justage (die Laserpointer schielen normalerweise).
Wie Du ja geschrieben hast, gibt es bei Raman zwei Aspekte: die Raman-Effizienz und die Hintergrund-Fluoreszenz. Blau hat die höchste Hintergrund-Fluoreszenz (schlecht), aber auch die höchste Raman-Effizienz (gut). Bei Rot ist es genau umgekehrt. Ich habe noch einen IR-Laser bei 780 nm, die Wellenlänge wird in vielen Raman-Aufbauten benutzt, da dann die Hintergrund-Fluoreszenz sehr gering ist. Soweit bin ich aber noch nicht. Das ist auch einer der Gründe für einen Doppelmonochromator, sonst würde jeder Laser einen eigenen passenden Filter benötigen. 

3) Im Anhang ein Bild von dem fokussierten grünen Laserpointer (das rote Kreuz ist zum Justieren, hier nicht so toll) auf einem GaAs-Wafer im alten Aufbau. Der Laserspot ist nicht perfekt symmetrisch, aber für mich OK. Der zentrale Spot hat einen Durchmesser von ca. 700 nm, das definiert die zu messende Fläche. Die Laue-Kreise zeigen, dass der Laser senkrecht in das Objektiv eingekoppelt ist. Der blaue Laser ist nicht so schön und macht eher eine Linie als einen Punkt, der rote ist wieder OK.
Dann noch ein Screenshot vom vergrößerten Bild des Lasers auf dem Detektor im Spektrometer und das entsprechende Spektrum (alter Aufbau). Die Einheit beim Detektorbild sind Kamera-Pixel. Mit etwas Fummeln und einem kleinen Eingangsspalt bekommt man Linienbreiten unter 0.2 nm (Lorentz-Fit). Der Laser hatte eine Wellenlänge von 533.5 nm, andere Laserpointer liegen im Bereich von 531 bis 534 nm. Das macht einen Bandpass-Filter schwierig. 
Eventuell muss fehlende Laserleistung durch eine längere Messzeit kompensiert werden. Die Detektor-Kamera (monochrome Astro-Kamera) ist Peltier-gekühlt für wenig Rauschen und erlaubt Messzeiten von mehreren Stunden. Das ist dann aber eher was für die Nacht.
Ich habe früher mal Messungen an der selben Probe einmal mit dem alten Selbstbau Raman-Mikroskop und dann mit einem kommerziellen Raman-Mikroskop (Renishaw inVia) verglichen. Die Daten vom Selbstbau waren nicht deutlich schlechter, nur das Rauschen war höher. Das ließ sich aber durch eine längere Messzeit kompensieren.
Die Laserleistung wurde mit einem Powermeter gemessen, ein altes Coherent FieldMax II.

4) Das Problem bei Raman ist, mit hohem Kontrast möglichst dicht an die Laserlinie zu kommen um auch kleine Energieabsorptionen zu erfassen. Ich kenne bezahlbare Longpass-Filter z.B. von Thorlabs nur in Schritten von 50 nm. Für den grünen Laser wäre das ein 550 nm Filter, was schon viele wichtige Raman-Linien abschneidet.
Zusätzlich soll ein Doppel-Monochromator entweder den Kontrast oder die Brennweite und damit die Auflösung erhöhen. Beides Interessant und ich möchte mir das gerne mal genauer anschauen. Anbei noch ein Foto des alten Einfach-Monochromators (Selbstbau) von oben.

Viele Grüße aus dem verschneiten Lüneburg
Christian

Hallo Christian,

Danke für die ausführlichen Informationen.
Der Monochromator sieht gut aus, wahrscheinlich ist der Selbstbau die einzige Möglichkeit, preiswert an einen leistungsfähigen Detektor zu kommen. Ich habe ein Spektrometer von ASEQ, das ist nicht gar so teuer, aber läßt Wünsche offen. Es dürfte beim Monochromator auch schwierig sein, die intensive Laserlinie auszublenden, ohne Streulicht. Verhältnis Laseranregung zu Raman-Signal ist so um 1:10^-8.
Thorlabs hat keine passenden Filter, die gibt es bei AHF - z.B das ET 537LP mit >OD 6 bei 410-534 nm, da kommt man schon ziemlich nahe an die 532 nm. Das FEL 550 von Thorlabs habe ich auch, ist aber ungeeignet, weil es - wie Du ja auch sagst - zu früh abschneidet.
Mein Roithner-Laser hat 50 mW und 532 nm (lt. Spec min. 531 typ. 532 max 534 nm), sicher besser als die Chinesen.

Berichte weiter über Deine Apparatur, spannende Sache.
Viele Grüße aus der verregneten Bonn
Horst 

Hallo Horst,

vielen Dank für Deine Tipps, kannte beide noch nicht. Roithner-Laser hat wirklich ein schönes Angebot und die Module müssten halbwegs in meine Halterungen passen. AHF muss ich mir mal anschauen, war bisher meistens bei Thorlabs und Edmund Optics unterwegs.

Habe früher mal mit gedrehten Filtern gespielt: im Anhang Spektren vom einer LED, dann LED mit Filter FELH0550 von ThorLabs ohne und mit Drehung (den Winkel habe ich nicht aufgeschrieben, war im Bereich von 20-30°). Das Drehen des Filters reduziert die Grenzwellenlänge. Leider gibt es dann aber eine Stufe in der Filterkurve, was das ganze etwas unschön macht. Trotzdem kommt man auf eine Wellenlänge von etwa 543 nm für volle Transmission, während der Laser noch unterdrückt wird.

Ich habe versucht, Deine Projekte über Dich als Benutzer zu finden, mir fehlt dafür aber die Berechtigung. Hast Du Links, in denen Du Deine Projekte vorstellst?

Viele Grüße
Christian

Hallo Christian,

im Forum findest Du tatsächlich nichts über den kompletten Aufbau. Die Anlage habe ich mal bei der Kornrade 2024 vorgestellt, ansonsten ist einiges auf unserer Webseite mikroskopie-bonn.de unter Bibliothek - weitere Themen. Dort ist auch was über Mikrospektralfotometrie.
Zum Nachbauen ist das auch nicht geeignet, weil ich über die Bucht einige Zufallsfunde gemacht habe, die ideal zu meinen Axioplan paßten. Das ist ein motorisch einstellbarer Kollimator mit Glasfaser-Anschluß. Sonst nicht erhältlich. Ansonsten nachfragen.

Viele Grüße
 Horst   

Hallo Christian, hallo Horst, hallo in die Runde,

schön, dass mal wieder etwas Bewegung in die Raman-Mikroskopie reinkommt. In Horsts ursprünglichen Faden (https://www.mikroskopie-forum.de/index.php?topic=38808.15), wurden ja schon einiges zu unseren Aufbauten und Bemühungen diskutiert. Ich hab etwa ab Beitrag #25 beschrieben, was ich machen möchte und im Beitrag #45 ist im Grunde der vorletzte Stand beschrieben. Im Vergleich zu deinem Aufbau, Christian, ist meins nicht so richtig DIY, jedenfalls nicht so grundlegend. Hab halt versucht, möglichst optimale Komponenten zu verwenden, wie bspw ein aktuelles inverses (Hochleistungs-) Mikroskop von Leica (Leica DMI6000), mit allem drum und dran (Durchlicht, Auflicht, Polarsiation, Auflicht-DIK, Fluoreszenz, Vollautomatisierung, Insg. 3 Kameraports). Das Spektrometer ist auch mehr oder weniger High-End (HORIBA IHR320, abbildend, 3 Gitter) mit passender Spektrometerkamera (HORIBA Syncerity). Für die Laser-Filterung hab ich den von Horst beschriebenen RAMAN-Filtersatz von AHF, der war schon ganz schön teuer und es war auch ein bisschen umständlich, da gerade diese, nicht so ohne weiteres an Privatpersonen verkauft werden (kann man halt alles mögliche analysieren, wie bspw Drogen, Medikamente, Chemikalien usw.). Diesen hab ich in einen klassischen Fluoreszenzfilterwürfel eingebaut, welcher sich super automatisiert mit dem Filterkarussell des DMIs umschalten lässt. Naja und beim Laser muss man aber auch schauen, dass man nicht fehlkauft. Da gibts schon ganz schöne Gurken im Angebot, zumindest wenn die Ansprüche an Strahlqualität und spektrale Reinheit hoch sind.
Vllt aber trotzdem noch ein paar Kommentare zu deinem Aufbau:
Wie schon von Horst geschrieben, ist der blaue Laser anfälliger für Fluoreszenz, aber die Fluoreszenz taucht erst bei höheren Wellenlängen auf, also im Grünen / Roten. Da ist aber der Raman-Messbereich normalerweise schon durch. Wäre also durchaus eine Option. Aber die für Blau verwendeten normalen Laserdioden haben ein schlechtes (elliptisches) Strahlprofil und spektral sind die wirklich gruselig (Modenhopping usw.). Eine Alternative sind die OPSL-Laser von Coherent (Sapphire), also optisch gepumpte Halbleiterlaser. Die sind gut Singlemodig und wellenlängenstabil, sogar besser als die frequenzverdoppelten 532nm DPSS-Teile (diodengepumpte Festkörperlaser), bspw. von Roitner. Aber sind auch schwer zu bekommen und auch gebraucht noch recht teuer.
Vor allem die geplante Helligkeitseinstellung per Leistungregelung des Lasers würde ich lassen. Da schiebt die Temperatur und Wellenlänge, sowie das Strahlprofil. Besser konstant regeln und am besten noch mit Peltier temperieren. Abschwächen würde ich eher durch klassische Graufilter. Es gibt auch aktuelle CMOS-Kameras (Global-Shutter) wie bespielweise mit Sony IMX174 Sensoren, die können extrem kurze Belichtungszeiten von 20us bis 30s, da hat man ordentlich Spielraum, bezüglich Belichtungszeit. Deine Astrokamera könnte vom "Rolling-Shutter-Typ" sein (? mit IMX178), sind extrem Rauscharm, aber für richtig kurze Belichtungen nicht so gut geeignt.
Bezüglich Laserleistung: Ich habe nur 3,5mW @532nm auf der Probe in einem <500nm Spot, aber Temperaturgeregelt und Singlemodig. Da kommt eigentlich ausreichend Signal. Ein gutes hoch-NA-Objektiv ist hier aber wirklich von Vorteil, am besten >0.9. Ich verwende ein NA 0.95 Auflichtobjektiv von Leica und das ist unschlagbar, hab schon viele verschiedene getestet, siehe ältere Beiträge im RAMAN-Faden von Horst.
Bezüglich Doppelmonochromator: Ist sicherlich eine gute Idee, aber ziemlich aufwendig, da man ja normalerweise 2 teuere Monochromatoren braucht. Da könnten die passenden RAMAN-Filtersätze doch um einiges günstiger sein. Man muss auch bei den klassischen Monochromatoren beachten, dass diese für die Verwendung einer flächigen Kamera nicht optimiert sind. Müssen halt nur den Eingangsspalt auf einen Ausgangsspalt abbilden und für einen Scan muss man das Gitter feinfühlig drehen.
Ich plane übrigens als Erweiterung, ein Echellespektrometer aufzubauen. Hab im Grunde schon alles da.   

Lg Tino

Da hier im Forum doch Leute sind, die Monochromatoren selbst bauen, habe ich einige Angebote zu unterbreiten. Sind Ausbau/Ersatzteile aus meiner Kundendienstzeit:
Mehrere Teile für Czerny-Turner- bzw. Ebert-Monochromator - in guter Qualität:
Kugelspiegel f=410 mm 80x90 mm m.Justierhalter, Quarzbedampft
UV-Gitter  2880 L/mm Blaze 18,5°  90x90 mm
VIS-Gitter 1440 L/mm Blaze 26,7°  90x90 mm
Spaltgruppe 0,2 - 0,7 - 2 nm
2 ganze Geräte komplett  120 x 50 x 60 cm

2 Zeiss-Monochromator 180 - 2400 nm  Quarzprisma auf Dreikantschiene, grau

>> 1 Zeiss-Doppel-Monochromator (Prisma) für Dreikantschiene, noch nicht justiert.

Es gibt noch mehr Teile - falls jemand Interesse hat, einfach bei mir melden...

Gruß - Werner

Hallo Tino,

vielen Dank für Deine ausführlich Antwort. Du hast da ja ein sehr schönes Spektrometer mit wirklich tollen Komponenten aufgebaut. Bei mir ist der Hobby-Etat leider begrenzt und ich versuche das mit Selbstbau zu kompensieren. Auf der anderen Seite entwerfe und bastle ich gerne, das ist für mich Teil des Hobbies. Mal sehen wie weit ich damit komme.

Beruflich komme ich von der Lumineszenz mit zu messenden Wellenlängen weit weg von der Laser-Linie. Die Aufbauten sind da typisch auf optische Tische integriert. Anbei ein Foto von einem meiner alten Photolumineszenz (PL)-Spektrometer mit Closed-Cycle-Probenkühler (bis 3 K), Beleuchtung mit einem gepulsten Laser und zwei Monochromatoren (500 mm und 750 mm), alles voll fernsteuerbar. Daher ist der hier diskutierte Aufbau auch kein typisches Mikroskop.

Laser: Die aktuell eingebauten Laser sind nicht final. Ich habe noch einen thermostatisierten grünen (520 nm, 40 mW), der ist aber vom Aufbau her ziemlich klobig und benötigt viele Kabel und eine zusätzliche Software. Für die Lumineszenz-Messungen hat der gegenüber dem grünen Laserpointer kaum Vorteile gebracht. Die Leistungsregelung der Laserpointer über eine Strombegrenzung ist für die Justage und Lumineszenz-Messungen sehr hilfreich, da dort auch Leistungsserien gemacht werden. Klar, bei sehr niedriger Leistung ist das kein Laser mehr (stimulierte Emission), sondern eher eine LED (spontane Emission) mit spektral sehr breiter Linie. Wenn man Wellenlängen weit weg von der Laserlinie misst, stört das aber nicht, auch das thermische Schieben der Laser-Wellenlänge ist da kein Problem. Trotzdem ist ein motorisierter ND-Filter vorgesehen. Bei Raman wird es vermutlich eher die maximale Laser-Leistung werden. Ich muss sehen, ob die Temperatur und damit die Wellenlänge konstant bleibt. Testen kann man das mit einer Kalibrier-Probe, bei mir ein Silizium-Wafer mit bekannter Raman-Linie.

Detektor-Kamera: Die Detektor-Kamera ist eine ZWO ASI mit einem CMOS-Sensor, 23.2 mm Diagonale und 12 Megapixel. Ich habe früher mal eine ähnliche Kamera in einem 750 mm Monochromator (Princeton Instruments SP-2750) mit einer teuren Newton 970 EMCCD in einem 500 mm Monochromator (Shamrock SR 500i) verglichen. Bei identischen Bedingungen benötigte die ASI im Princeton etwa 4x mehr Belichtungszeit für ein ähnliches Signal/Rausch-Verhältnis, hatte wegen der kleineren Pixel und des längeren Monochromators aber eine etwa doppelt so hohe Auflösung (Linienbreite 0.021 nm statt 0.046 nm). Von daher bin ich mit der Detektor-Kamera optimistisch.

Monochromator: Wie Du geschrieben hast, haben klassische Monochromatoren kein planares Bildfeld. Bei Linsen-Teleskopen in der Astronomie wird das durch sogenannte Flattener kompensiert, für Monochromatoren habe ich so etwas noch nicht gesehen. Die Bildfeldkrümmung lässt sich durch die Linse vor dem Eingangsspalt des Monochromators etwas beeinflussen. Ideal sollte das Beugungs-Gitter für einen hohen Kontrast voll ausgeleuchtet werden. Die dafür nötige Brennweite der Linse kann man abschätzen: f_Linse = f_Monochromator*d_Strahl/d_Gitter, bei mir: f_Linse = 20 mm, mit f_Monochromator = 200 mm, d_Strahl = 5 mm (Durchmesser des Strahls vom Objektiv an der Linse) und d_Gitter = 50 mm (50x50mm Gitter). Ich habe früher mal Linsen mit Brennweiten von 20 mm bis 100 mm getestet und die mit kurzen Brennweiten zeigen eine sehr starke Bildfeldkrümmung (sichtbarer Unterschied von Linien in der Bildmitte und am Rand). Am Ende habe ich mich für eine Linse mit einer Brennweite von 80 mm entschieden, da ist die Bildfeldkrümmung akzeptabel, der Spot auf dem Gitter aber nur 12.5 mm groß (reduzierter Kontrast).

Doppelmonochromator: Ich habe zwei ähnliche Monochromatoren, einmal den im alten Raman-Mikroskop und dann einen mit einem Eingang für eine optische Faser z.B. für Raman-Messungen an Flüssigkeiten (Wasser, Wein, Whisky, ...) in einen selbstgebauten Küvetten-Halter mit Hohlkugel (siehe Foto, Hohlkugel aus 2 ehemaligen Edelstahl-Eierbechern). Von dem zweiten Monochromator habe ist noch ein Foto angehängt, das den Strahlengang schön illustriert. Wichtig bei einem Doppelmonochromator ist die synchrone Drehung der Beugungsgitter. Dafür habe ich jetzt 2 alte motorisierte Präzisions-Drehbühnen, die haben Encoder und eine Wiederholgenauigkeit von ± 25 µrad. Die restlichen Komponenten sind auch jeweils doppelt vorhanden.

Echellespektrometer werden auch in der Astronomie für sie spektrale Zerlegung der Emission von Sternen und Nebeln benutzt, habe aber keine eigene Erfahrung. Spannend, bin gespannt was Du damit misst.

Viele Grüße
Christian

Hallo Werner,

danke für das Angebot mit den Spektrometerteilen. Ich hab aber diesbezüglich leider ein Platzproblem, hab noch einen alten 640mm Gittermonochromator von Horiba (HR640) und einiges an Kram, welcher ganzschön Platz wegnimmt. Aber ich werde mich nochmal mit PN wegen einem passenden Prisma für den Echelle-Cross-Disperser melden, und auch wegen einem Gitter. Beim Echelle Monochromator ist leider das ursprüngliche CaF2-Prisma an einer Klebestelle gerissen ):

Hallo Christian,

ich versuche es auch finanziell nicht zu übertreiben, habe fast alles zu wirklich guten Preisen auf Ebay bekommen. Man muss halt wissen, was man benötigt, bzw. was man vor sich hat. Glücklicherweise  ;) haben die restlichen Forenmitglieder hier bspw. eine unnatürliche Angst vor Elektronik im Mikroskop. Ich hab bis jetzt kein einziges Problem mit den neuen elektronisch fokussierten Mikroskopen (Leica, 2 x DM6000, DMI6000, DMXRA), bei meinen alten Leitz Metalloplan und Co. waren diesbezüglich schon einige wirklich traurige Defekte an der filigranen Mechanik, Fokussierung dabei. Fairerweise muss man sagen, dass es sehr wahrscheinlich Transportschäden waren. Mglw. auch einfach nur Pech, bzw. Glück.

Ein schönes Labor hast du da, ich vermute mal das ist nicht zu Hause.  :)  Sonst wäre ich aber wirklich neidisch. Ich arbeite an einem Fraunhofer-Institut und wir beschäftigen uns hauptamtlich mit der Herstellung von optischen Gittern für Spektrometer, Laser, usw. Photolumineszenz haben wir übrigens auch schon an Nanodiamanten messen müssen.

Laser: Ich würde doch sehr auf Schmalbandigkeit achten, bei PL wirds egal sein, aber beim RAMAN taucht ja der ursprüngliche Laserpeak in der Messung auf und da sieht man sofort, wenn die Quelle breitbandig ist. Da geht auch die SNR in die Knie. Hab mir kürzlich einen Lasercontroller (ILX-Irgendwas) mit Temperaturregelung bei Ebay geschnäppert, spottbillig wars aber nicht. Geht mit meinem OSRAM PL530 OPSL-Lasermodul hervorragend (http://www.pdcontrol.com/LHT/Nightlase.pdf).

Detektor-Kamera: Wollte nur damit sagen, dass die Astrokameras mit Rolling Shutter (ist deine mit einem IMX676?) extrem empfindlich sind, aber für sehr kurze Belichtungszeiten (bei extrem hellen Laser beim Justieren) aufgrund des Prinzips nicht so gut funktionieren. Da sind die vergleichbaren Sony-Global-Shutter Sensoren beim Justieren am hellen Laser besser geeignet. Ich habe kürzlich mehrere USB3-Kameras von Basler mit den Sony-IMX249 (aber nur Color) für jeweils <40€ gekauft. Könnte auch gerne eine zum Testen zur Verfügung stellen, bzw. abgeben, wenn gewünscht.

Monochromator: Ich kenne die Variante mit leichter Zylinderlinse vor dem Detektor, zur Korrektur der Bildfeldwölbung, oder halt die klassischen Toroidspiegel (unterschiedliche Krümmungsradien sagittal und meridional) für die abbildenden Spektrometer.

Doppel-Monochromator: Hab auch noch 2 Gittertürme aus einem entsorgten Spektralphotometer mit Doppelmonochromator liegen, wie so vieles anderes.

Apropos Astronomie - ich komme ursprünglich auch daher. Ich glaube im Astrotreff bzw. bei Astronomie.de hast du auch schon deine Spektrometer-Aufbauten vorgestellt, zumindest denke ich mich zu errinnern. Hab auch zig Teleskope und massenweise Kameras, wie auch 2 sehr spezielle EMCCDs (Andor IXON 897D und Hamamatsu C9100-13). Hatte vor ein paar Jahren das Blinkern des Krebsnebelpulsars damit aufgenommen.
https://www.astrotreff.de/forum/index.php?thread/258228-pulsar-im-krebsnebel-no-2/   

Anbei noch fix ein paar Bilder von meinem RAMAN-Mikroskop mit Darstellung der Strahlengänge:

Raman-Beleuchtungsstrahlengang.jpg

Raman-Mikroskopstrahlengang.jpg

Raman-Spektrometereinkopplung.jpg

Lg Tino

Und schnell noch ein paar Bilder vom Echelle-Monochromator.

Echelle.jpg
Übersichtsbild mit Layout

Ist aber leider kein klassischer Echelle-Spektrograph mit Cross-Disperser, sondern ein Doppelmonochromator mit Prismen-Monochromator (Prisma ist mit Schrittmotor drehbar) zur "Order-Separation" und nachfolgendem Echelle-Monochromator (Echelle ist mit Schrittmotor drehbar) mit 1D-Sensor.

First-Light_Echelle-Prismenpart.jpg
Quick and dirty First-Light des Prismenmochromators, Spalt und Spektrum ist rechts neben dem Prisma (das Prisma hat leider einen Riss)

First-Light_Echelle.jpg
"First-Light" des Echelle-Teils (Ne-Kalibrierlampe), aber noch mit Order-Overlap

Lg Tino   

Hallo Tino,

da liege ich mit meinem kleinen ASEQ-Spektrometer technisch noch Lichtjahre zurück...
Bei 3 mW sehe ich nur Peaks von starken Raman-Streuern, Schwefel oder Diamant. Schon bei meinem Lieblingsstandard Paracetamol nach ASTM muß ich viel stärker aufdrehen.
Verbesserung vielleicht an der Mikroskop-Einkopplung:
Wie funktioniert das mit dem "Fiber-Kolli" im letzten Bild vom #12?

Viele Grüße
Horst

Hallo,


Das alles ist ein interessanter Aufbau. Der Aufwand ist schon erheblich. Ehrlich gesagt verstehe
ich vielleicht 1/3 von dem, was beschrieben wird. :o
Aber schöne Dokumentation!


Gruss
Michael

Hallo Tino,

tolles System, dass Du da aufgebaut hast und weiter optimierst. Richtig coole Komponenten, da werden manche Forschungslabors bestimmt neidisch. Du scheinst ja einen guten Riecher für Ebay-Schnäppchen zu haben ....

Bei Deiner Beleuchtungs-Achse, was für eine Grundplatte hast Du? Und bringt der Laserstrahl-Reiniger (Linse-Pinhole-Linse) viel? In den Renishaw Raman-Mikroskop war auch so eine Einheit, schwer zu justieren und ich fand die Spektren damit nicht deutlich besser.

Meine Detektor-Kamera ist eine ZWO ASI 294 MM Pro Mono mit einem IMX492-Sensor. An einer Deiner  Basler-Kameras hätte ich Interesse, Kameras kann man immer gebrauchen.

Bin wirklich gespannt, was aus Deinem Echelle-Monochromator rauskommt. Wenn ich es richtig verstanden habe, legt der die verschiedenen Beugungsordnungen vertikal versetzt für einen größeren Spektralbereich in einem Schuss. Für einen größeren Spektralbereich drehe ich das Gitter Schrittweise und füge die Einzelspektren automatisiert zusammen, das dauert aber.

>Ein schönes Labor hast du da, ich vermute mal das ist nicht zu Hause.
Jupp, das ganze braucht schon etwas Platz und Infrastruktur. Das ist zu Hause kaum machbar, abgesehen von den Investitions- und Betriebskosten. Das Labor hatte ich an der Uni Hamburg, Center für Hybrid Nanostructures aufgebaut. Damals habe ich Halbleiter-Quantenpunkte hergestellt, strukturell (Rasterkraft-Mikroskop) und spektroskopisch untersucht (einzelne bis wenige Photonen aus einzelnen Quantenpunkte bei flüssig-Helium-Temperatur). Das hat schon Spaß gemacht. Jetzt im Ruhestand hat mich die Optik nicht ganz losgelassen und ich schau mal was machbar ist. Auch der Fokus hat sich verschoben von Lumineszenz in Richtung Raman, mal sehen.

Wenn Du Interesse hast, könnten wir versuchen ähnliche oder gleiche Proben zu untersuchen. Mich würden Daten aus Deinem System quasi als Referenz interessieren.

Viele Grüße
Christian

Bin jetzt etwas weiter und wollte heute eigentlich die Vorderseite fertig haben. Leider ist das Feingewinde der Linearführung an der z-Achse der Probenbühne teilweise defekt und klemmt. Den alten Kram vor dem Einbau nicht gründlich genug getestet. Habe leider keine mehr mit gleicher Größe und werde wohl eine kleinere Linearführung einbauen. Das erfordert wieder viele Änderungen.

Trotzdem hier ein paar Fotos von dem aktuellen Stand. Einmal das Stativ mit der optischen Schiene und die Probenbühne noch mit defekter z-Achse. Dann die Reiter für die optische Schiene von unten nach oben: der Reiter mit dem Objektiv-Revolver, der Reiter mit dem  Strahlteiler-Würfel und einem Powermeter-Messkopf und der gerade fertig gewordene Reiter mit einem manuell verschiebbaren Umlenkspiegel für Messungen entweder am Mikroskop oder über einem Fasereingang (mit einem Kollimator). Dann noch der motorisierte Beleuchtungswechsler, der sitzt seitlich am Stativ.

Hallo Horst, hallo Michael, hallo Christian,

komme leider erst jetzt zu antworten.
@Horst: Der Fiber-Kolli ist vllt. etwas flapsig formuliert. Eine Faserkollimator ist gemeint. Der dafür genutze Ausgangsport des Mikroskops hat keine Tubuslinse (ursprünglich für konfokales Laserscanning), sodass hier im weiteren Sinne ein Parallelstrahl rauskommt. Dieser wird mit einem normalen Achromaten auf den Faserkern der Multimodefaser fokussiert. Hier sollte man den Akzeptanzwinkel, bzw. Numerische Apertur der Faser beachten, (etwa 0,1 - 0,2), sonst geht Licht verloren. Ich überlege schon, wie man das abbildende Spektrometer direkt ankoppelt, also ohne Faser. Dann wird das Mikroskopbild direkt auf den langen Schlitz abgebildet, sodass man das RAMAN nicht nur für einen Einzelpunkt, sondern gleich für eine ganze Linie messen könnte. Das wäre schon ziemlich cool. Dummerweise brauche ich dann einen flächigen Kamerasensor und man müsste den Laser entweder per Zylinderlinse auf eine Linie fokussieren, oder per Optik mechanisch "Sweepen". Da hätte ich auch schon schnelle Scannerspiegel aus einem LSM-Modul da.   Ein stärkerer Laser wäre dann aber auch Pflicht. Aber kommt Zeit kommt Rat.
Ich habe mir mal eure Experimente in der Bonner Mikroskpiegruppe angeschaut, wirklich klasse.

@Michael: Danke für deinen Kommentar. Es ist auch nicht notwendig alles zu Machen oder zu Verstehen, aber schön ist es trotzdem, wenn man die Welt mit neugierigen und interessierten Augen betrachtet.

@Christian: Die Beleuchtungsachse ist auf einer OWIS-Schiene. Jetzt wohl Qioptiq, also in etwa wie Thorlabs, nur halt hauptsächlich Metrisch.
Der vermeintliche "Laserstrahlreiniger", bzw. Raumfrequenzfilter ist aber nur ein Kepler-Teleskop, also ohne Pinhole. Dient zur Nachkollimierung des nicht so perfekt kollimierten OPSL-Lasers und zur exakten Positionierung und Fein-Fokussierung des Lasers im Bildfeld. Dann ist das Mikroskopbild der Kamera auch wirklich parfokal zum Laser. Ist halt sonst mit dem hochvergrößernden 150x/0.95 Objektiv ziemlich problematisch, die exakte Position auf dem Sample zu finden. Außerdem kann man über die Anpassung der Linsenbrennweiten den Strahl aufweiten oder verengen. 
Falls schon gesehen, ich versuche ja hauptsächlich damit, die Mineralien und Bestandteile von Meteoriten zu untersuchen. Da ist ein Hellfeld- und XPOL-Bild in Kombination mit der RAMAN-Untersuchung schon ganz schön.
Über den Austausch von Vergleichsmessungen, bzw. Referenzproben, würde mich sehr freuen.
Soll ich mal schauen, ob ich eine passende Linearachse für deine Z-Achse habe? Hab ziemlich viel Kram angesammelt.
Die Kamera (https://www.baslerweb.com/de-de/shop/aca1920-40uc/) würde ich dir zeitnah schicken, schreib mir mal bitte deine Adresse per PN. Ein passendes USB3-Kabel hab ich aber leider nicht über.
Aprospos Einzelphotonenquelle - war damals auch der Hintergrund der PL-Untersuchung an den Mikrodiamanten. Sollte oder soll als Lichtquelle für Quantencomputing, bzw. Kommunikation dienen. Dafür bin ich aber ehrlichgesagt nicht schlau genug.
Bei RAMAN gäbe es auch noch ein paar interessante Entwicklungen, wie bspw. resonantes RAMAN. Da wird klassisches RAMAN mit einer durchstimmbaren Lichtquelle kombiniert, welche auf die symmetrische Anti-Stokes-Linie des zu detektierenen Materials abgestimmt wird, was bewirkt, dass die äquvalente Stokes-Linie gepumpt wird. Dann bräuchte man aber einen passenden durchstimmbaren Laser (ECL-external cavity laser), vllt gehts auch mit Weißlicht und Monochromator oder AOTF (acusto optical tunable filter). Aber alles Zukunftsmusik und vllt auch Quatsch.

Lg Tino     
             

Hallo,

nach dem Austausch der defekten Linearführung in der Probenbühne und der Anpassungen der dadurch veränderten Geometrie ist die Vorderseite erstmal fertig. Ein Foto zeigt die aktuellen Ansicht von vorne.

Jetzt geht es an die Rückseite hinter dem Stativ. Dort soll ein motorisierter Spiegel zwischen Mikroskop-Kamera und Monochromator umschalten. Dann sollen 3 motorisierte Filterhalter eingebaut werden. Es folgt eine einstellbare Linse zum Fokussieren auf den Eingangsspalt des Monochromators und ein Umlenkspiegel Richtung Monochromator. Die aktuell dafür geplanten Komponenten sind auf einem Foto zu sehen. Die Positionierung der Filter ist nicht super-kritisch, hier reichen einfache Führungen. Das Bauen der Halterungen und der Zusammenbau wird aber etwas dauern.

Hallo Tino:
> .. Mineralien und Bestandteile von Meteoriten zu untersuchen
Klingt spannend. Im Prinzip soll mein Aufbau mit der motorisierten Probenbühne Raman-Karten ermöglichen. Also ein Spektrum messen, Bewegen der Probe, wieder ein Spektrum usw. Damit könnte man eine Karte der verschiedenen Elemente machen.
>Über den Austausch von Vergleichsmessungen, bzw. Referenzproben, würde mich sehr freuen.
Super
>Soll ich mal schauen, ob ich eine passende Linearachse für deine Z-Achse habe? Hab ziemlich viel Kram angesammelt.
Danke für das Angebot, habe aber selbst einiges und eine brauchbare gefunden und eingebaut. Für die Motorisierung sind die alten Linearführungen mit einer Gewindestange und einer Buchse im Schlitten am besten, da sich da der Antriebsknopf nicht in Längsrichtung bewegt. Die neueren mit Mikrometerschrauben sind nicht so einfach zu motorisieren. 
Für die Kamera kommt eine PN.
>...  Mikrodiamanten. Sollte oder soll als Lichtquelle für Quantencomputing ..
Ja, Farbzentren in Diamanten verhalten sich in einigen Aspekten ähnlich wie Quantenpunkte und werden auch für Anwendung in der Quantenkryptographie untersucht. Was nachher industriell wirklich zum Einsatz kommt muss man sehen. Der für Messungen an solchen Systemen nötige Aufwand geht aber weit über Hobby-Möglichkeiten hinaus.

Hallo Christian,

es reift ja langsam aber sicher!

@Tino: Das mit dem Faser-Kollimator ist mir noch nicht ganz klar. "Der Achromat fokussiert auf den Eingang der Faser" - ersetzt also die Tubuslinse. Mit Tubuslinse erhält man ein reelles Bild, bei meinem Axioplan in Abstand von 44 mm oberhalb des Fototubus. In diesem rellen Bild liegt auch der Laserfokus, und dort habe ich meinen Lichtleitereingang positioniert. Der wirkt also als konfokale Blende. Hat der Akzeptanzwinkel der Faser dann überhaupt einen Einfluß? Wüßte nicht, dass bei den kommerziellen, fasergekoppelten Geräten noch eine Optik dazwischen ist. Bei der von Dir angedachten Direktkopplung auf den Spektrometerspalt besteht doch das gleiche Problem der Anpassung.

Das mit der Linienmessung wäre prima, ist in der Multispektralmikroskopie als push-broom-Technik bekannt. Die Erstellung von Raman-Karten durch punktweise Abtastung mit Motortisch nach Christians Vorschlag mußte ich leider aufgeben, das braucht Ewigkeiten bei längeren Integrationszeiten, bedingt durch geringe Spektrometerempfindlichkeit.

Die durchstimmbare Lichtquelle ist eine Super-Idee, würde aber mal wieder außerhalb der Finanzkraft des Rentners liegen. Wie wäre es mit einigen wenigen Nanometern Verschiebung, für Beginner? Das geht mit den DPSS-Lasern nicht, würde aber für SERDS zur Fluoreszenz-Unterdrückung praktisch sein (SERDS = shifted-excitation Raman difference spectroscopy).

Viele Grüße
Horst 

Hallo Horst,

ja, der Faserkollimator ersetzt im Grunde die Tubuslinse. Der Akzeptanzwinkel der Faser ist aber trotzdem relevant, da das eingekoppelte Licht, wenn es denn unter einem größeren Winkel eingekoppelt wird, nicht mehr im Faserkern geführt wird. Die Brechzahldifferenz ist dann zu klein. Für gewöhnlich wird eine Faser-NA angegeben, welche durch die Kollimatorlinse nicht überschritten werden sollte. Die standardmäßige Mikroskop-Tubuslinse sollte aber ok sein, da sie eine recht lange Brennweite (mein Leica hat anscheinend 200mm, bei vllt 15-20mm Apertur, ergibt eine F-Zahl von etwa 10) hat. Ist also bei deinem Aufbau vermutlich alles "Safe".
Weiterhin muss das Spektrometer auch die NA der angeschlossenen Faser akzeptieren, bzw. der Direktkopplung. Mein Horiba IHR-320 hat eine F-Zahl von 4,1. Das entspricht nach der Formel NA = 1 / (2 * F/#) einer NA von 0,125. Also passt gerade noch für die Faser-Kopplung. Hier muss man dann schon aufpassen.
Bei deinem ASEQ-Spektrometers müsste man mal schauen, was der Hersteller angibt. Man bbenötigt dann halt entsprechend große Beugungsgitter. Aber mit der F/10 Tubuslinse sollte es passen.
Bezüglich SERDS wären die von mir verwendeten OPSL-Laser nur unter Umständen geeignet. Ich hatte damals insgesamt 6 Osram PL530 Lasermodule bestellt, von denen hab ich leider 3 mit einem nicht passenden Netztteil geschrottet. Die restlichen 3 haben schon substantiell unterschiedliche Wellenlängen (aufgrund des Funktionsprinzips), 2 Stück um die 530nm und ein Modul hat etwa 531nm. Aber wie man 2 Laser gemeinsam ausreichend gut einkoppelt, weiß ich nicht. Außerdem ist der Steuerungsaufwand nicht unerheblich. Über die Temperatur lassen sich die Dinger leider auch nicht regeln, da ein eingebautes Etalon die Wellenlänge festlegt. Witzigerweise hat einer meiner Kollegen die Laser damals entwickelt/designt. Die Welt ist also klein.

Anbei ein Bild eines defekten Lasermoduls.
IMG_20250914_135009.jpg

Ist echt winzig, so groß wie ein Fingernagel. Das Löten der kleinen Dinger hätte mich fast in den Wahnsinn getrieben.

Lg Tino

Hallo Tino,

vielen Dank, das beruhigt mich etwas, optisch scheint das Auskoppeln ja in Ordnung zu sein.
Das ASEQ-Spektrometer hat von vornherein einen Fasereingang, das ist (hoffentlich) dafür korrekt ausgelegt.
Für SERDS wird laut Literatur nur eine Laserdiode verwendet, deren Wellenlänge über den Strom gesteuert wird (z.B. Patent WO2011/033017; Gebrekidan (2015) nimmt ein Toptica DL Pro). Übersteigt meine Möglichkeiten bei weitem.

Viele Grüße
Horst

Hallo Horst,

die Toptica DL Pro sind die oben von mir schon erwähnten EC-Laser, also Diodenlaser mit externer Kavität. Dh. man entspiegelt die Laserdiode, anstatt einer Verspiegelung und stellt ein Gitter in Reflexion davor. Das Gitter kann man kippen und selektiert dann die passende Wellenlänge in der Kavität und über die Verstärkungsbandbreite der Laserdiode kann man das Spektrum extrem genau und ultraschmalbandig einstellen. Nimmt man beispielweise für Kühlexperimente für Atome, oder als Oszillatorreferenz für Atomuhren. Wir haben auf Arbeit ähnliche in Verwendung, aber kosten ein Herz und ne Niere.
Darf ich fragen, welches ASEQ du eigentlich hast und ist der Sensor gekühlt? Wie schon weiter oben beschrieben, ist die RAMAN-Effizienz auch sehr stark von der Apertur des Mikroskopobjektivs abhängig.

Lg Tino

Hallo Tino,

das ist das ASEQ HR1-B, V1.0, mit gekühltem Sensor, Spaltbreite einstellbar. Sehr dürftige Software-Unterlagen.

Viele Grüße
Horst

Hallo,

jetzt ist die Bestückung der Rückseite des Stativs komplett, es muss aber noch vieles angepasst und justiert werden.

Es sind 4 Module, von oben nach unten:
1) Motorisierter Wechsler zwischen der Mikroskop-Kamera und dem oberen Umlenkspiegel Richtung Monochromator. Das war ziemlich fummelig, da die Position und Orientierung von Kamera und Spiegel möglichst genau sein müssen und der Strahlengang frei sein muss 
2) Motorisierter Filter-Wechsler mit Platz für 4 Filter
3) In 3 Achsen einstellbare Linse zum Fokussieren auf den Eingangsspalt des Monochromators
4) Unterer Umlenkspiegel Richtung Monochromator

Die Module werden über 40x40 mm Alu-Winkel am Stativ befestig. Das benötigt deutlich weniger Platz als das optische Schienensystem und ist durch die Verschraubung von zwei Seiten ziemlich präzise.

Anbei Fotos von den Modulen und auch vom aktuellen Stand von mehreren Seiten.

Dann noch ein Schema zur Übersicht. Normalerweise werden optische Systeme mit so vielen Komponenten in einer Ebene auf einem optischen Tisch montiert. Dafür fehlt mir aber der Platz. Deshalb geht der Aufbau hier auch in die 3te Dimension, quasi nach oben gefaltet.

Aktuell ist das ganze schon ein Auflichtmikroskop mit motorisierter Probenbühne. Der nächste Schritt ist die Justage und dann Vergleichsfotos mit dem Leica-Mikroskop.

Viele Grüße
Christian

Hallo,
anbei erste Testfotos mit dem Mikroskop-Teil vom Raman-Mikroskop. Ein erster Test war schwarze Schrift  auf weißem Papier. Beleuchtung mit einer LED, 3 Objektive (4x, 20x, und 50x) und Kamera Bresser SP 5.0. Das 4x Objektiv ist nicht so toll (Bresser PL 4x/0.1 160), die 20x und 50x (Olympus LMPLFLN 20X, Olympus LMPLFLN 50X) sind OK. Es sind Long-Distance Objektive, da mit denen früher an gekühlten Proben mit einem Fenster zwischen Probe und Objektiv gemessen wurde. Für Raman habe ich noch ein Olympus ULWD M S Plan 80: 80x, NA=0.75, Working Distance=4.1 mm, Plan Achromat.
Die Bilder sind verglichen mit Bildern aus einem Leica DMLB Mikroskop in Auflichtmodus. Beleuchtung mit einer Halogen-Lampe, wieder 3 Objektive (PL FLUOTAR 5x, 20x, und 50x) und die Bresser-Kamera hier mit einem Reducer x0.5.

Die Bilder mit dem Leica Mikroskop sind schon schärfer mit mehr Kontrast und gleichmäßiger ausgeleuchtet. Auf der anderen Seite sind die Bilder mit dem Raman-Mikroskop in meinen Augen keine Katastrophe und die Bildqualität reicht für die Einsatzzweck, nämlich das Finden der gewünschten Position auf der Probe. Der größere Bildbereich im Leica-Mikroskop liegt am Reducer und die Farbe an der LED/Halogen-Beleuchtung.

Dann noch ein Vergleich mit der Oberfläche eines Galliumarsenid-Wafers (blau/lila) mit rauher Bruchkante unten. Normalerweise sind die Wafer sehr glatt (RMS-Rauhigkeit laut Rasterkraftmikroskop ca. 0.3 nm) und man sieht gar nichts. Freundlicherweise ist die Probe aber schon älter und ziemlich verdreckt, gut fürs Fokussieren. Hier sieht man wieder, dass das Leica-Mikroskop schärfer ist und dass die Optik im Raman-Mikroskop gereinigt werden sollte. 

Dann habe ich den Galliumarsenid-Wafer mit einem grünen Laserpointer beleuchtet (80x Objektiv). Man sieht deutlich die relativ symmetrischen Interferenzringe, der hellere Bereich rechts oben ist ein Artefakt (überlagerter zusätzlicher Reflex vom Strahlteiler). Das bedeutet, der Laserstrahl tritt halbwegs senkrecht zur Achse des Objektivs ein.

Das sieht schon mal ganz vielversprechend aus und als nächsten Schritt könnte ich das Spektrometer testen. Vorher möchte ich aber noch einige Punkte am Design korrigieren, die mir nicht so gut gefallen. Zum Beispiel der Beleuchtungs-Wechsler ist doch arg klobig geraten. Und dann werde ich im Hinblick auf die Diskussion weiter oben (Danke an Horst und Tino) wohl das Konzept der Laserbeleuchtung ändern. Statt eines Beleuchtungs-Wechslers für 2 Laser wird es wohl einer für einen Laser (plus LED) werden. Der Platz soll dann auch für größere z.B. gekühlte Laser reichen, die dann in eine schnell zu wechselnden Halterung montiert werden.

Viele Grüße
Christian

Hallo,

obwohl ein paar wolkenarme Tage den Blick nach oben Richtung Orion- und Pferdekopf-Nebel abgelenkt haben, ist jetzt die nächste Stufe des Raman-Mikroskops fertig. Es handelt sich eher um "ästhetisch‎e Verbesserungen", die reine Funktionalität hat sich nicht geändert. Im wesentlichen ist die Baubreite des Raman-Mikroskops jetzt deutlich reduziert und der Beleuchtungswechsler ist nicht mehr so klobig.   

Als ersten Schritt habe ich bei der Probenbühne den Stepper der x-Achse unter die Probenachse gesetzt. Das spart rechts viel Platz. Leider ist jetzt nicht mehr so viel Platz für eine zukünftige Beleuchtung für Durchstrahlung. Ich bin aber nicht sicher, ob Durchstrahlung bei einem Raman-Mikroskop wirklich wichtig ist.

Dann habe ich die Röhre mit der Köhler-Auflichtbeleuchtung geknickt um Baulänge zu sparen. Das Konzept für die Auflichtbeleuchtung hatte mir vor vielen Jahren Lupus aus dem Forum vorgeschlagen, funktioniert super. Das Umlenken macht ein Prisma als Spiegel. Der vordere Teile der neuen Auflichtbeleuchtung sitzt fest auf dem umgebauten Reiter mit dem Strahlteiler. Der hintere Teil sitzt auf einem motorisierten Schlitten, dem neuen Beleuchtungswechsler. Die Justage ist aber durch die Umlenkung etwas schwieriger geworden. Hinter der Linse L2 ist der Strahl kollimiert, d.h. man kann statt der LED auch einen Laser einkoppeln. Auf dem Beleuchtungswechsler ist Platz für 2 Lichtquellen mittels Standard-Befestigungen. Der Antrieb erfolgt über einen NEMA14-Stepper mit 2 Führungsschienen.

Als ersten Test für die Mikroskopie habe ich die Skala von einem Objektmikrometer mit 10 µm Teilung mit den verschieden Objektiven abgebildet. Die Justage ist verbesserungsbedürftig (inhomogene Ausleuchtung) und der Staub ist immer noch im Strahlengang. Trotzdem lassen sich die schmalen Striche auch in Auflicht problemlos Fokussieren und Abbilden.

Leider ist durch den neuen Beleuchtungswechsler kein Platz mehr für den bisherigen motorisierten Filterwechsler. Da muss ich mir noch was überlegen. Und dann kommen Tests mit dem Monochromator.


 

Hallo,
es geht langsam weiter. Bei den Tests zeigte sich, dass der NEMA 11 Schrittmotor für den Beleuchtungswechsler unter Last (LED + Laser) nicht zuverlässig arbeitet. Er ist jetzt gegen einen stärkeren NEMA 17 Motor ersetzt, der aus Platzgründen nach unten versetzt wurde. Dann ist der motorisierte Filterwechsler umgebaut auf jetzt zwei Filter, aktuell ein Longpass-Filter 550 nm und ein Filter ND 4.0. Dann habe ich die Mikroskop-Kamera BRESSER MikroCam SP 5.0 (Baugleich mit der Touptek USB-Camera US510CA) nicht in meine Steuer-Software integriert bekommen. Es gibt zwar Programmierbeispiele, aber die brachten meine Software teilweise zum Abstürzen. Daher ist jetzt wieder die alte Kamera HAYEAR HY500 eingebaut, auch mit 5 MP.

Bisher sind 7 Schrittmoren verbaut: 3x Probenbühne, 1x Beleuchtungswechsler, 1x Umschaltung Mikroskop/Spektrometer, 2x Filterwechsler. Zwei weitere sollen noch in den Monochromator für die Spalte eingebaut werden. Zur Steuerung von jeweils 3 Schrittmotoren dient ein Arduino Uno mit CNC-Shield und Schrittmotor-Treibern. Auf den Arduino ist die Software grbl geflasht, ein Interpreter für G-Code. G-Code wird in 3D-Drucker oder kleinen CNC-Fräsen oft für die Steuerung der Motoren eingesetzt.

Die Kommunikation mit einem Steuerrechner erfolgt über einen 10x USB3-Hub, aktuell: 3x Schrittmotor-Steuerung, 2x steuerbare Netzteile (LED, Laser), 2x Kamera (Mikroskop, Spektrometer), 1x Laser-Powermeter.

Die Steuersoftware ist für Spektroskopie ausgelegt und in der Programmiersprache Python geschrieben. Die grafische Nutzeroberfläche ist in TK geschrieben. Python ist zwar etwas langsam, hat aber sehr viele mächtige Software-Bibliotheken z.B. für die Ansteuerung von allen möglichen Geräten und zur Darstellung von Daten. Die Steuersoftware ist modular ausgelegt, so dass sich neue Komponenten relativ einfach integrieren lassen. Aktuell laufen die Probenbühne, der Beleuchtungswechsler, die Umschaltung Mikroskop/Spektrometer, der Filterwechsler, die Netzteile für LED und Laser, und die Mikroskop-Kamera. Anbei ein Screenshot der Software im Modus für Mikroskopie mit einem Kamerabild. Das Spektrometer ist zur Zeit noch ohne Funktion.

Viele Grüße
Christian

Hallo Christian,

wird ja immer komfortabler!
Ich würde die Motortreiber noch gegen den TMC2208 tauschen. Die laufen absolut geräuschlos und butterweich, während die beim CNC-Shield mitgelieferten eher Musik machen.
Pinkompatibel, nur die Drehrichtung ist andersrum.

Viele Grüße
Horst

Hallo Horst,

danke für den Tipp mit den Schrittmotor-Treibern, ich schaue mir die mal an. Eingebaut sind DRV8825, die erlauben immerhin Microstepping 1/32, aber geräuschlos sind die definitiv nicht.

Hier ein kleines Filmchen mit den verschiedenen Motoren: https://kai.nl.tab.digital/s/FHefzBPfkq2WMAM
(das Forum erlaubt scheinbar keine Videos)

Aktuell läuft nur die Probenbühne mit Microstepping wegen der Genauigkeit, die anderen (lauten) Motoren laufen ohne. Bei denen ist auch die Vorschubgeschwindigkeit noch nicht optimiert. Hoffentlich bekomme ich die Antriebe mit Microstepping / optimierten Parametern / anderen Treibern noch etwas leiser, insbesondere die Kamera ist schon heftig. Auf der anderen Seite, der Sinn der Motorisierung ist die Fernsteuerung der Messungen. Das Raman-Mikroskop steht dann in einem separaten Raum.

Viele Grüße
Christian

Glück gehabt, ich habe die Schrittmotor-Treiber auf Microstepping 1/32 umkonfiguriert und die Schrittmotoren laufen jetzt bedeuten ruhiger und leiser. Der "digitalere" Lauf ohne Microstepping scheint mehr Resonanzen beim Bewegen zu verursachen.

Hallo,
in den letzten Tage habe ich an der Steuersoftware programmiert, viele kleinere Korrekturen und dann noch die Ansteuerung der Detektor-Kamera. Es handelt sich um eine monochrome gekühlte Astro-Kamera ASI294MM pro. Bisher habe ich die Kamera mit einer im Astronomie-Bereich üblichen Software-Schnittstelle ASCOM angesprochen. Da das immer mal wieder klemmte, habe ich die Steuer-Software jetzt auf die vom Hersteller der Kamera gratis zur Verfügung gestellte SDK als Schnittstelle umgestellt. Damit läuft es viel runder und das Auslesen der Bilder inklusive Darstellung geht etwa 3x schneller. Neben dem Auslesen des kompletten Kamerabildes oder von Bereichen gibt es einen Video-Modus mit ca. 5 fps zum Justieren und Fokussieren.

Dann habe ich den alten Monochromator provisorisch hinter das Mikroskop gestellt und die Einkoppel-Optik grob justiert. Wenn der Laser richtig brennt (gemessen ca. 33 mW), meldet der Sicherheitsbeauftrage sofort Alarm und fordert eine Abschirmung.

Wenn das Beugungsgitter in einem Monochromator senkrecht zu den Spiegeln steht nennt man das nullte Beugungsordnung: das Gitter wirkt dann wie ein einfacher Spiegel und die Detektor-Kamera zeigt quasi ein Mikroskopie-Bild. Das ist nützlich zu Justieren und Fokussieren. Wenn das Gitter verdreht wird, kommen höhere Beugungsordnungen (hier die 1ste) ins Spiel und das einfallende Licht wird durch Interferenzeffekte spektral zerlegt. Auf der Detektor-Kamera sieht man in y-Richtung immer noch ein Mikroskop-Bild, aber in x-Richtung jetzt ein Spektrum.
 
Als erstes habe ich zum Testen die LED der Mikroskop-Beleuchtung ohne und mit Filter (Long Pass 550 nm) vermessen. Das Kamerabild (in Pixel) zeigt einen breiten Steifen, der in y-Richtung die Ausdehnung der auf der Probe beleuchteten Fläche und in x-Richtung die spektrale Zerlegung zeigt. Um kein Signal zu verschwenden, wird daher in y-Richtung das Signal über einen einstellbaren Bereich gemittelt. Die beiden Spektren ohne und mit Filter zeigen schön die Filter-Kurve. Die gemessene Filter-Wellenlänge ist hier ca. 548 nm. Das spricht für eine schlechte Kalibrierung des Monochromators (ist schon länger her), da die Thorlabs Filter ziemlich genau sind und bei 550 nm liegen sollen. Auf jeden Fall ist gut zu sehen, dass ab etwa 540 nm schwache Signals durch den Filter kommen.

Dann habe ich mir einen grünen Laserpointer angeschaut. Einmal direkt, bei minimaler Laserleistung von P = 0.5 µW. Die Leistung lässt sich über ein stromgeregeltes Netzteil gut einstellen. Trotzdem Vorsicht: der Laser kann bei höherer Leistung die Kamera problemlos schädigen. Um ein Übersteuern der Kamera (maximal 16 Bit = 65536 Counts) zu vermeiden ist die Belichtungszeit kurz E = 1 ms. Im Kamerabild sieht man durch die Ausdehnung entlang y-Richtung, dass der Laser nicht ordentlich auf die Oberfläche des GaAs Wafers fokussiert wurde. In x-Richtung ist die Ausdehnung klein, das spricht für eine scharfe Linie. Das Spektrum zeigt eine einzelne Linie mit einer Linienbreite von 0.15 nm (Lorentz-Fit), das ergibt das Auflösungsvermögen des Monochromators. Das Zentrum der Linie liegt bei 530 nm. Mit der oben aus der Filterkurve abgeschätzten Korrektur sind es real eher 532 nm.

Das gleiche habe ich noch für P = 21 mW und P = 32 mW gemacht, hier allerdings mit einem ND4.0 Filter vor der Kamera zum Abschwächen des Lasers. Man sieht, dass die Laserlinie mit zunehmender Laserleistung leicht rot-verschiebt: bei P = 32 mW um etwa 0.1 nm, also nicht dramatisch. Ungünstiger ist eher der zusätzlich Peak bei etwa 535 nm (gemessen), der kommt schon dicht den Filter ran. Man muss hier bedenken, dass die zu messenden Raman-Signale viele Größenordnungen schwächer als der Laser sind, weshalb kein Laserlicht durch den Filter kommen darf. Zum Glück ist die Linie bei etwas reduzierter Laserleistung P = 21 mW nicht mehr sichtbar.

Ich finde, für ein 3 Euro Teil schlägt sich der Laserpointer recht tapfer. Leider nervt er mit deutlichen Schwankungen der Intensität. Aktuell bekomme ich das eingebaute Powermeter noch nicht mit Python ausgelesen, sonst könnte man über eine Regelung nachdenken. Aber vermutlich ist ein stabilerer Laser die bessere Alternative.

Viele Grüße und frohe Ostern
Christian

Hallo, vor dem Umbau auf einen Doppelmonochromator habe ich als Referenz für den alten Monochromator eine Energiesparlampe als Kalibrierquelle über den Faser-Eingang eingekoppelt und vermessen. Auf der Detektor-Kamera sieht der Spot bei nicht gedrehtem Gitter (wirkt dann wie ein Spiegel) relativ rund, das spricht für eine halbwegs justierte Optik. Das Übersichtsspektrum zeigt schön die Spektrallinien der Energiesparlampe, die gut zum Kalibrieren des Monochromators geeignet sind. Die Vergrößerung zeigt die 5 Linien um 588 nm, wobei die beiden Linien bei 577 und 579 nm etwa 0.2 nm breit sind.   

Für den Umbau auf einen Doppelmonochromator sind das Konzept und die ersten CAD-Zeichnungen fertig. Der Entwurf basiert auf dem alten Einfach-Monochromator. Der hat 2 Gitter Rücken an Rücken und darunter eine Linearführung mit Schrittmotorantrieb zum Längenausgleich, damit immer die Vorderseite des Gitters auf der Drehachse liegt. Der Längenausgleich hat sich aber als nicht so wichtig erwiesen und wird bei dem Doppelmonochromator weggelassen. Damit haben zwei übereinander gestapelte Monochromatoren im Doppelmonochromator etwa die Bauhöhe wie der alte. Das Licht wird über einen Spalt in den unteren Monochromator eingekoppelt, über ein Periskop in den oberen Monochromatron umgelenkt, und am Ende von einer Kamera detektiert.

Aktuell ist das Periskop im werden. Zwischen den beiden Umlenkspiegeln sitzt ein zweiter Spalt zum Trennen der beiden Monochromatoren.   

Viele Grüße
Christian

Hallo, nachdem die klaren Nächte der letzten Zeit den Schwerpunkt Richtung Teleskope gelenkt haben, ist jetzt wieder das Raman-Mikroskop dran. Das Periskop zwischen unterem und oberem Monochromator ist bis auf die Lackierung fertig. Die erste Version mit 4 parallelen M6 Gewindestangen war nicht genau (die Spiegel waren gegeneinander verdreht) und nicht stabil genug. Eine zweite Version mit einem 30x30 mm Alu-Profil ist bedeutend stabiler.
Dann habe ich die Komponenten für den unteren Monochromator zusammengesucht, die Halterungen müssen aber noch angepasst werden. Die Gitter werden von einer Präzisions-Drehbühne gedreht, das hat bisher sehr gut und genau funktioniert. Die Gitter haben Abmessungen von 50x50 mm und die beiden Parabolspiegel haben 75 mm Durchmesser.

Hallo Christian,

schön dass mit dem RAMAN-Aufbau weitergeht. Ich habe aber trotzdem noch einen Kommentar zum geplanten Monochromator-Setup. Ich sehe da ein bisschen ein Empfindlichkeitsproblem. Es kommt natürlich etwas darauf an, was man eigentlich untersuchen will, aber bei meinen Messungen lande ich mit meinem abbildenden Spektrometer und eine sehr empfindlichen Kamera immernoch im mehrere Sekunden-Belichtungsregime. Mit Monochromator müsste man ja seriell jeden einzelne Wellenlängenpunkt mit einer nicht unerheblichen Belichtungszeit aufnehmen. Da landet man schnell bei mehrminütigen Messungen. Man braucht dann zwar auch keine Kamera, es reicht ja ein Photodetektor und die Auflösung des Doppelmonochromators ist besser, aber ich würde persönlich auf ein abbildendes Spektrometerprinzip setzen.

Lg Tino   

Hallo Tino,

der Monochromator ist abbildend und als Detektor ist eine monochrome Kamera aus dem Astrobereich vorgesehen: ZWO ASI 294 MM Pro Mono (https://www.zwoastro.com/product/asi294/). Die ist mit einer Quanteneffizienz von 90% schon sehr empfindlich und kann gekühlt werden. Die Drehbühne ist zum Auswählen des zu messenden Wellenlängenbereichs (etwa 30 nm breit) mit der Hoffnung, durch den verbesserten Kontrast bei einem Doppelmonochromator den Raman-Filter zu ersetzen. Mit langen Belichtungszeiten habe ich keine Probleme, der Aufbau ist fernsteuerbar und misst dann eben über Nacht.

Viele Grüße
Christian

Hallo, es geht langsam weiter. Jetzt sind die Halterungen angepasst und schwarz matt lackiert. In die Grundplatte des unteren Monochromators (10 mm Alu) wurden passende M6 Gewinde gebohrt. Die erste Seitenwand mit dem Eingangsspalt wurde angepasst und angebaut. Parallel wurde die Grundplatte des oberen Monochromators (5 mm Alu) zugesägt und erste Gewinde gebohrt. Beide Grundplatten und das spätere Gehäuse werden noch lackiert. Als Test wurde der Spalt im Periskop zwischen den beiden Monochromatoren durch weißes Papier ersetzt und eine fokussierte Taschenlampe vor den offenen Eingangsspalt gehalten. Man kann schön die spektrale Zerlegung des LED-Lichts auf dem Papier sehen. Jetzt warte ich noch auf eine gute Idee für das Gehäuse, mal schauen. 

Hallo, der Kommentar von Tino vom 03.05.2026 hat mir doch keine Ruhe gelassen. Tino hatte geschrieben"... seriell jeden einzelne Wellenlängenpunkt ... aufnehmen". Bei einem Einfach-Monochromator ist das häufig nicht der Fall, wenn man eine Kamera als Detektor einbaut. Dann kann ein kompletter Spektralbereich in einer Messung erfasst werden. Ich bin davon ausgegangen, dass auch bei einem Doppel-Monochromator ein komplettes Spektrum auf eine Kamera ausgegeben wird. In der bisher gelesenen Literatur und in Prospekten von Herstellern stand nicht gegenteiliges. Auch ein früherer Kollege, der Raman-Spektroskopie mit einem Doppel-Monochromator und einer Kamera gemacht hatte, hat nicht gegenteiliges berichtet. Allerdings habe ich bisher keine eigene Erfahrung und es deshalb ausprobiert.

Dafür wurde der Doppel-Monochromator sehr provisorisch zusammengestellt, innen noch nicht komplett geschwärzt und ohne innere Abschirmungen. Als ,,Gehäuse" diente ein Handtuch. Der Doppel-Monochromator wurde grob neben dem Umlenkspiegel vom Mikroskop positioniert mit provisorischer Einstellung der Fokus-Linse für den Eingangsspalt. Die Steuer-Software wurde für die unabhängige Ansteuerung von zwei Monochromatoren erweitert, allerdings noch ohne Kalibrierung der Wellenlängen-Skala.

Für die Justage wurden die Spiegel so eingestellt, dass bei nicht verdrehten Gittern (Wellenlängen WL1=WL2 = 0) der Laserstrahl mittig durch den  Doppel-Monochromator läuft. Dann wurde eine weiße LED eingekoppelt. Gezeigt ist links jeweils das Detektorbild von der Kamera und rechts das daraus generierte Spektrum. Die Wellenlängen-Skala in den Spektren ist noch nicht kalibriert.

a) Bei nicht verdrehten Gittern in beiden Monochromatoren (WL1 = WL2 = 0) wirken beide Gitter wie Spiegel und das Abbild der fokussierten LED auf dem Eingangsspalt wird auf die Detektor-Kamera abgebildet. Der Reflex ist hier sehr breit, das liegt an den weit offenen Spalten und der ungenauen Justage.

b) Bei nicht verdrehtem Gitter im unteren Monochromator und auf 550 nm eingestelltem Gitter im oberen Monochromator (WL1 = 0, WL2 = 550 nm) wirkt das ganze wie ein Einfach-Monochromator, da hier der untere Monochromator wieder wie ein Spiegel wirkt. Das Spektrum sieht typisch für eine LED aus.

c) Um das etwas genauer zu testen, wurde für WL1 = 0, WL2 = 550 nm noch ein 550 nm Longpass-Filter vor den Monochromator gesetzt. Die Filterwirkung ist klar zu sehen, aber auch die noch ungenaue Kalibrierung. Bisher waren die Spektren so wie erwartet.

d) Mit WL1 = WL2 = 550 nm wirkt das System jetzt wie ein Doppel-Monochromator. Für mich überraschend ist jetzt aber kein Spektrum zu sehen wie bisher, sondern nur ein Reflex.

Ich bin nicht sicher, ob es sich dabei um einen Messfehler oder einen Fehler im Design handelt. Oder ob das bei einem Doppel-Monochromator immer so ist. Für Kommentare wäre ich dankbar.

Falls es sich um ein grundsätzliches Problem bei Doppel-Monochromatoren handeln sollte, müsste man den Spektralbereich knapp oberhalb der Laserlinie (532 nm + ,,Sicherheitsabstand") bis zum Raman-Filter (550 nm) seriell aufnehmen, wobei iterativ jeweils ein Messpunkt aufgenommen wird und dann das Gitter für den nächsten Messpunkt leicht gedreht wird. Das wäre eine zeitintensive Methode, aber für den begrenzten Spektralbereich vermutlich machbar. Für Wellenlängen oberhalb des Raman-Filters könnte dann das Spektrum konventionell als Einfach-Monochromator mit WL1=0 aufgenommen werden. Dann wäre das aber im Vergleich mit einem besser passenden Raman-Filter schon viel Aufwand.

Nun denn, am Wochenende geht es erst mal in den Urlaub (4 Wochen Richtung Südfrankreich). Da habe ich vermutlich genug Zeit, um über das Problem weiter nachzudenken. 

Hallo, ich habe noch ein wenig über Doppelmonochromatoren nachgedacht. Anbei eine Schemazeichnung eines Einfach-und eines Doppel-Monochromators in Czerny-Turner-Konfiguration.

Beim Einfach-Monochromator spaltet das Gitter das einfallende Licht spektral auf und der 2te Parabolspiegel fokussiert das spektral zerlegte Licht auf die Ausgangsebene. Wenn da eine Kamera sitzt, sieht man horizontal die spektrale Intensitätsverteilung und kann daraus ein Spektrum erzeugen. Wenn da ein Spalt sitzt, sieht man eine Art Punktreflex mit der Intensität bei dieser Wellenlänge. Das war vor dem Aufkommen von Kameras so üblich und die Intensität wurde z.B. mittels eines Photomultipliers detektiert. In diesem Modus muss das Gitter für jede Wellenlängenänderung gedreht werden, was zeitaufwändig ist. Deshalb ist eine Kamera günstiger, da hiermit ein Spektralbereich in einer Messung erfasst werden kann.

Bei einem Doppel-Monochromator sitzt am Ausgang des ersten Monochromators ein Spalt. Es wird also nur eine Wellenlänge durchgelassen und hinter dem 2ten Monochromator kann daher kein Spektrum entstehen. Hätte ich mit etwas Nachdenken auch schon vorher drauf kommen können. Als Vorteil eines Doppel-Monochromators wird typischerweise das reduzierte Streulicht und damit ein höherer Kontrast beschrieben. Deshalb habe ich einen aufgebaut in der Hoffnung, Spektren auch dicht an der sehr Intensiven Laserlinie messen zu können. Den Nachteil, dass es nur Punktreflexe und keine Spektren am Ausgang gibt und dass Kameras daher nicht sinnvoll eingesetzt werden können habe ich in der Literatur bisher nicht klar formuliert gefunden.

Nun denn, jetzt ist er relativ weit und ich werde ihn wohl fertig bauen. Vermutlich wird es eine Lösung, bei der dicht an der Laserlinie als Doppel-Monochromator mit Gitterdrehung nur punktförmig gemessen wird und weiter weg von der Laserlinie als Einfach-Monochromator ganze Spektren.

Hallo Christian,

ich bin kein großer Experte, aber beim Doppelmonochromatordesign gibt es zwei Modi und zwar einen sogenannten Subtraktiven und einen Additiven Modus. Beim Additiven Modus ist der zweite Monochromator so ausgerichtet, dass das durch den Ausgangsspalt des ersten Monochromator tretende Licht (welches im Winkelspektrum die Dispersion noch beinhaltet) sich mit der Dispersion des zweiten Gitters addiert. Dh. die Gesamtdispersion entspricht der eines Monochromators mit doppelter Brennweite, wie auch die Auflösung. Dann würde man bei einem breiten Spalt im ersten Monochromator diesen mit dem zweiten Monochromator weiter spektral Zerlegen und auf der Kamera abbilden.
Beim Subtraktiven Modus ist das zweite Gitter gedreht, bzw. über Umlenkspiegel so gespiegelt, sodass sich die Dispersion genau aufhebt. Dh. das Abbild des Austrittsspalt des ersten Monochromators wird direkt ohne Dispersion auf die Kamera des zweiten Monochromators abgebildet, also auch nicht weiter spektral zerlegt. Es kann also sein, dass dein Doppelmonochromator subtraktiv arbeitet.

Lg und einen schönen Urlaub in Südfrankreich
Tino   

Hallo Tino,

danke für den Tipp, das versuche ich mal auszuprobieren. Vielleicht besteht ja noch Hoffnung, dass am Ausgang des Doppelmonochromators doch ein Spektrum zu messen ist.

Viele Grüße und Danke für die netten Reisewünsche
Christian

Hallo an die Bastler, ich bin auch in der Phase die spektrographischen Möglichkeiten mit der Mikroskopie zu verknüpfen. Das macht nicht nur ein bisschen Spass, weil man dadurch die Möglichkeiten der aktuellen KI sowie Web Datenbanken nutzen kann. Die ersten Übersichten mit meinem 785 nm Raman im Vergleich zur UV-VIS Spektroskopie Es ist eine Wasseranalyse für eine Immobilie mit einem hydrostatischen Wasserschaden. Via Mikroskop sieht man nur mineralische Spuren, wenig Algen oder soetwas. Beim näheren Hinschauen fiel mir allerdings das Humin auf, über dessen Anwesenheit man präzise Rücklüsse auf die Wasserquelle machen kann. Das wird z.B. beim Leitungswasser ausgefiltert. Raman Molekular sieht man z.B. die typische Mineralisierung von Leitungswasser gut. Wer sich für sowas begeistert, aber Probleme mit den Kosten hat, dem kann ich gerne meine Quelle für spektroskopische Bauteile u. Systeme geben. Eine eingelagerte Insolvenzmasse in Niedersachsen. Kartons mit Stellar Net, Ocean Optics, BW Tek, Nova Bauteilen, oft fehlt mal ein Netzteil oder sowas, aber der Kreativität werden keine Grenzen gesetzt, von Stellar Deuterium Lampen bis Ocean Spektrometer, alles im Bereich Faktor 10fach guenstiger. Grossgeräte gibt es dort auch. Einfach PN an mich schicken. VG Markus

Hallo Markus,
schön, dass es da noch mehr "verrückte" Spektroskopie-Interessierte gibt. Flüssigkeiten mit Raman zu untersuchen ist nicht so einfach, was für ein Raman-System benutzt Du?

Ich habe früher auch mal Raman an Flüssigkeiten mit einem Selbstbau versucht, aber die Intensitäten sind schon mau und die Belichtungszeiten lagen bei etwa 100 s. Angeregt wurde mit einem grünen Laser, da ist die Raman-Effizienz höher als bei Deinem IR-Laser, es gibt aber häufig auch mehr Fluoreszenz. Damit die Anregung in der Flüssigkeit bleibt, habe ich die Küvette in einer Edelstahl-Hohlkugel positioniert (2 ehemalige Eierbecher) und das Raman-Signal über eine optische Faser in einen 20 cm Monochromator geleitet.

Gemessen habe ich Leitungswasser und mit verschiedenen Alkoholkonzentration kontaminiertes Wasser, es sind schon deutliche Unterschiede zu sehen. Wichtig war der Untergrundabzug mittels einer Messung ohne Flüssigkeit, da die Küvette auch leuchtet.

Spannendes Projekt, schreib mal wie es weiter geht.

Viele Grüße
Christian

Hallo Christian, ich habe ein Zeiss Jena Pol Mikroskop mit Trino u. Kameraadapter.

Den spektrografischen Teil wollte ich auch komplett selbst bauen, habe schon einiges dafür geholt. Bin dann zu der Überzeugung gekommen, dass die richtige Basteltiefe ein einfaches OEM System ist, gerade was den Monochromator betrifft. Da warte ich beim Selbstbau, um ehrlich zu sein, auf LED Arrays, IR-Vis-UV, denn ich bin nicht so der Reagenzienmensch, ich versuche viel mit Physik zu lösen. Dennoch kann man sich dann für einzelne Aufgaben gut welche zusammenstellen.   

Für die aktuellen Raman Systeme gibt es üblich Mikroskop Adapter oder Probes als kleine Mikroskop Umbau oder Aufbau Kits. Das mit Duallasern als Zusatzlichtquelle ist schon klasse. Ich bräuchte das aber für den Schrank, nicht für den Keller.

Mein Raman ist ein gekühltes 785nm CCD BW Tek, ich betreibe es derzeit mit der normalen BW Tek 785 nm BAC Probe. Zur Referenzmessung nutze ich z.B. PE Zuschnitte. Das Ergebnis ist soweit OK, aber ich kann Deinen Aufbau schon verstehen, das nervt ziemlich, wenn man variieren muss. Messungen durch PE oder sowas funktionieren bei mir sehr schlecht. Es dominiert immer der PE Behälter. Richtig gut funktioniert es mit Quarzglas Küvetten. Der Laser ist ziemlich stark, ich nutze den bei sowas im 10 Sek. Bereich mit ca. 70% Leistung.

Das waren die ersten Raman Analysen, wenn Du mich so fragst, wäre Deine Grafik eher im ID Spektrum von Wasser, starkes breites OH-Streckband ca. 3200 bis 3600 cm-1, schwächeres H-O-H-Biegeband ca. 1640 cm-1.  Mein 785 nm Ramanbereich geht nur bis 3000, da kann ich lange am ID Spektrum arbeiten. Aber eine Hebung bei 1640 sollte es schon geben. Ich habe es mit Alufolie um die Küvette probiert sowie volle Leistung, da hebt sich bisher beim 785 nm Laser mit Quarzküvette allerdings nichts, werde es nochmal mit Iso u. PPG probieren.



 

Hallo Christian, hier ist das detaillierte Iso Ergebnis von meinem Aufbau mit BAC Probe u. Quarzglasküvette. Mit Wasser tut sich der 785 nm Raman etwas schwer in Sachen ID Scan.

Hallo Markus,
tolles Spektrum, das BWTek-Spektrometer scheint gut zu laufen. Da muss ich wohl noch etwas fummeln. Vermutlich ist mein 532 nm Laser in Kombination mit dem 550 nm Longpass Filter nicht ideal. Ich komme von der Photo-Lumineszenz-Spektroskopie (eine Art Fluoreszenz), da ist man von der Wellenlänge her weit weg vom Laser und der Filter ist hier unkritisch. Bei Raman sieht das leider anders aus. Deshalb die Idee mit dem Doppelmonochromator. Der sollte durch einen höheren Kontrast/Filterwirkung an verschiedene Laserwellenlängen anzupassen sein. Aber bisher sieht das nicht wirklich gut aus.

Als ein Vorteil bei einem 532 nm Laser sind normale CCD-Kameras als Detektor gut geeignet. Bei einem  785 nm Laser werden die Kameras langsam blind. Deshalb wollte ich beides mal ausprobieren.

Deine Bemerkung zu den Küvetten ist interessant. Ich habe welche aus Quarzglas, die sind aber für Transmission nur 2seitig poliert und damit für Raman nicht brauchbar. Für die Messungen hier wurden 4seitig polierte eingesetzt, leider gab es bezahlbare nur aus Kunststoff. Da muss ich wohl weiter suchen.

Mein Laser kann nur ca. 50 mW. Im Mikroskop kommen durch den 90/10 Strahlteiler nur 10% davon an der Probe an. Das ist schon arg wenig. Bei der Küvettenhalterung ist das zum Glück nicht so und es wird die volle Laserleistung eingekoppelt. Was für eine Laserleistung benutzt Du?

Hallo Christian,

es sollte ein 300 mW Laser sein mit einer gekühlten back-thinned CCD im Spektrometer. Der Laser hat auf einen Meter ca. einen 30 cm Streukreis, das heisst, eine Lichtdichte von ca. 1,2 mW/cm nach 60 cm. Ich weiss noch nicht warum er das macht, aber Dauerstrich läuft der nicht, da steuert der hin. Der geht völlig easy mit 90% durch alle Laserbrillen, die ich hier habe, eine spezielle OS5 785 nm habe ich bestellt.

Raman 785nm spielt sich bei 65 cm bis 3200 cm ab. Das ist relativ überschaubar. Das mit der Floureszenz ist sowas von nervig im organischen Bereich, dass man da gerne Beschränkungen akzeptiert, wenn das besser wird. Einfaches Sesamöl vibriert dir aus dem 785 nm Raman, da geht es erst beim 1064 nm Raman los. So kommt man zur Wellenlänge.

CCD technisch kann man übrigens beim Selbstbau mit Duallasern arbeiten, die CCD`s schaffen das, aber der Monochromator nicht, die Notchfilter usw. auch nicht, also bleibt es wohl bei einer typischen Wellenlänge.

Das Mystische bei der Mikroskopie ist der Effekt, den viele als Quatsch bezeichnen, selbstleuchtende Objekte kann man viel stärker bzw. detailreicher vergrössern. Mit gepulsten Lasern kann man Objekte z.B. sehr spezifisch anregen zu fluoreszieren.

Das geht noch weiter, wie Du weisst, nur ist das jetzt schon viel zuviel Technologie für ein Mikroskop. Darum ist es wohl die Kunst ein Optisches System wie eine Linse zu designen, nicht in Glasbausteinen.

Wenn man sich die Mikroskop Raman Leute anschaut, was die in Datenbanken hochladen, dann ist das meisst biologisch, Bakterienkulturen usw. Kann man auch mit einem externen Raman, da wirds dann aber schon langsam unexklusiv. Da zählt dann auch die Raman Qualität stärker.

Alternativ nehmen sich viele z.B. einen ATR1600 785 nm Raman, der kostet derzeit um die 5.000 Euro, wird per App betrieben, hat einen Akku, kann auch Spektren exportieren. So fächert sich das dann auf.

Ich bin beim Raman noch am evaluieren, ich weiss noch garnicht, wo es hingeht, darum lese ich gern Foren. Praxisnäher geht es nicht. Vor einer Konstruktion stehen vermutlich viele Aufgaben, die man gelösst hat bzw. lösen will. Im Privatbereich ist es da mehr auf das Mögliche optimiert.

Hallo Christian, ich bin noch am priorisieren. Es ist nicht abwägig Raman, UV VIS, Floureszenz u. Weisslicht über das Objektiv als Kopf zu sammeln. Was da aber erstmal rausfällt, das ist der Doppelmonochromator u. Strahlenteiler. Selbst eine Halskonstruktion mit Würfeladaptern wäre unvorteilhaft. Jetzt die Prio, der Laser sollte direkt zur Probe, Raman=Photonen, das ist nicht nur Dein Problem beim Mikroskop Raman. Laser, Lampen u. LED Einkopplung über ein motorisiertes Filterrad. Die Quellen können auch über Dichroics oder Faserkoppler kombiniert werden.

- Laser 785 nm für Raman
- Laser 532, 520 nm für Raman u. Fluoreszenz
- LED, Deuterium, Halogen für UV-VIS
- Weisslicht für die Kamera

Hinter dem Mikroskopkopf kommt ein motorisiertes Filter bzw. Spiegelmodul

- Kamera für Bild u. Positionierung
- Spektrometer für UV-VIS
- Raman Spektrometer mit Notch bzw. Longpass Filterung
- Fluoreszenzkanal Emissionsrückkanal, Filterung u. Kamera bzw. Spektrometer

Den Koaxialen Hauptkanal sollte man vermutlich beibehalten:
Selektives Detektions-Licht über Dichroic via Objektiv auf die Probe, Rueckweg: Probe via Objektiv u. Notchfilter zur Detektion. Einen UV-Vis Multispektralscan wird man kaum notchen können, da müsste man dann z.B. eine ringförmige Lichtquelle zur Verfügung stellen.  Da ist noch eine Menge Lichtarchitektur im Spiel, also in Sachen Vereinfachung.

MCU für Stepper, Raspberry Pi für Tabellen, Kalibrierung, Websteuerung, Spektren.
Komplette Linearisierung jetzt schon über Kalibriertabellen.

Mir fällt dazu das Quasar Spektrometer ein, das hat eine vernünftige Verstärkung, das sollte Raman via Notchfilter sowie UV-Vis locker hinbekommen. Du kannst aber auch ein Ocean Hr2000+ nehmen, das bekommst Du günstig aus der besprochenen Insolvenzmasse, dazu noch die Stellar Deuteriumlampe, u. eine Weisslichtlampe, da steht übrigens drauf, dass UV Strahlen einem die Sehfähigkeit nehmen. Das solltest Du bei der Gesamtkonstruktion beachten, den 785 erstmal pro Forma inkludieren, nicht das der dir da rumknattert.

Was haelst Du von dem Setup ? Doppelmonochromator Monster raus, Strahlen-Teiler raus. Nicht alle Optiken lassen UV Strahlen durch, Weisslicht im Hauptkanal nur als Prüflicht. Sonst alle Probleme gelösst. Neue Teile kein Problem. Ich weiss allerdings nicht, welches Gitter im HR2000+ drin ist, aber da waren noch mehr Spektrometer. Das Gitter kann man austauschen, nur kann dann auch ein neuer Eprom fällig werden, das wäre dann ein Support vom Hersteller.
 
 

Hallo Markus,
ich bin gerade in den Urlaub gestartet und schaue daher nicht mehr so oft ins Forum.

Du hast da ja ein tolles und sehr flexibles System am Laufen. Machst Du das beruflich?

Mein Spektrometer ist historisch motiviert. Während des 9-monatigen Corona Lock-Downs hatte ich den Vorgänger aus Resten für ein provisorisches Online Praktikum an Halbleiter-Proben und Graphen zusammengebastelt. Eine Beschreibung ist hier: https://kai.nl.tab.digital/s/6Qj7dF3wCqWRrGN. Für ernsthafteres Arbeiten an Halbleiter-Nanostrukturen hatten wir ein System mit Kühlung auf Flüssig-Helium-Temperatur bei minimalen Vibrationen, das ist privat nicht zu machen. Für das Graphen hatte ich mit einem kommerziellen Raman-Mikroskop Renishaw Invia (https://www.renishaw.com/en/invia-confocal-raman-microscope--6260) gearbeitet, das ist in einigen Aspekten ähnlich wie Dein System. Mit Fokus auf diese Proben hat das aktuelle DIY-Spektrometer erstmal geringe Laserleistungen (bei unseren Halbleiter-Nanostrukturen reichten nW und Graphen wird bei zu hohen Leistungen zerstört) und die klassischen Thorlabs Filter mit 50 nm Abständen reichen aus (die Raman-Linien von Graphen liegen weit weg vom Laser).

Für Raman an Mineralien oder Bio-Materialien ist das natürlich nicht optimal. Einmal der Würfel-Strahlteiler, der nur 10% der Laserleistung zur Probe weiterreicht und der 550 nm Filter. Auf der anderen Seite lässt der Würfel-Strahlteiler bei Bedarf noch etwas Laserlicht Richtung Spektrometer durch, das erleichtert die Justage des Systems erheblich. Ein dichroitischer Filter als Stahlteiler wäre natürlich nett, aber dann wie von Dir vorgeschlagen in einer Art Filterrad. Da das System möglichst flexibel auslegt werden soll, möchte ich mich noch nicht auf eine Laser-Wellenlänge festlegen. So könnte man z.B. verschiedene Laser je nach Material einsetzten oder auch die vor Dir erwähnte Fluoreszenz mal anschauen. Allerdings geht Flexibilität wahrscheinlich auf Kosten der "Leistungsfähigkeit".

Mit dem Doppelmonochromator bin ich noch am überlegen. Aktuell bin ich eher enttäuscht. Das liegt aber vermutlich an meiner Umsetzung und nicht am Prinzip. Z.B. hier sind die Vorteile zusammengefasst: https://www.s-and-i.de/duovista.html. Wenn nicht, als einfach Monochromator lief er schon brauchbar (gemessene Linienbreiten von 0.15 nm). Die Steuerung erfolgt über ein Python-Programm auf einem Windows-Laptop, die Kalibrierung erfolgte über die bekannten Linien einer Energiesparlampe. 

Mich reizt auch das Selberbauen, wird sicherlich nicht so gut wie kommerzielle Lösungen, macht mir aber mehr Spaß und man lernt viel.

Interessant finde ich auch Raman an Mineralien. Der Laser-Spot hat einen Durchmesser von etwa 800 nm und mit der motorisierten Stage könnte man Oberflächen abrastern. Das konnte das Renishaw-Mikroskop auch und erlaubte damit eine Lokalisierung von Graphen-Flocken und die Unterscheidung zwischen Bereichen mit Monolagen und dickeren Schichten. Aber mangels Proben ist das kein Thema mehr. 
       
Viele Grüße Christian

Hallo Christian, viel Spass im Urlaub. Das man im Labor gern alles selber baut, das ist mir schon klar. Man kann statt fertigen Spektrometern natürlich alles selber konstruieren. Beugungsgitter u. geignete CCD Kameras gibt es am Markt. Ich kann unmittelbar zu Deinem Beitrag wenig beitragen, weil ich das mehr aus Maker oder Benutzerebene sehe. Aber wenn man wie Du an die Sache rangeht, ist doch eine Frage nach Multi Modal Aspekten völlig richtig plaziert.

   

Hallo Markus,

> "Ich kann unmittelbar zu Deinem Beitrag wenig beitragen" 
Doch, mir hat die Konversation Spaß gemacht und geholfen. Im direkten Umfeld kennt sich kaum jemand mit diesem Gebiet aus und etwas Austausch über das Hobby ist immer nett. Ich habe mit dem Basteln angefangen ohne konkretes Ziel wofür. Auch dafür war der Austausch hilfreich. Und dann finde ich es immer spannend zu sehen, womit und wie andere an das Thema herangehen.     

Nach den letzten Kommentaren überlege ich zweigleisig zu fahren. Dafür soll der 90/10 Würfel-Strahlteiler gegen ein motorisiertes 4x Filterrad ausgetauscht werden mit Platz für den Würfel-Strahlteiler und zusätzlich 3 Filterwürfel, wie die von meinem Leica-Mikroskop. In die Filterwürfel können dann dichroitische Spiegel jeweils für verschiedene Laserwellenlängen. Dann soll das nur selten gebrauchte hintere Gitter im unteren Monochromator gegen einen Spiegel ausgetauscht werden. Mit Spiegel wird der untere Monochromator bei nur geringen Verlusten quasi überbrückt und es bleibt ein Einfach-Monochromator. Damit kann das ganze entweder klassisch betrieben werden mit einem dichroitischen Strahlteiler und Einfach-Monochromator oder für Tests mit dem Würfel-Strahlteiler und dem Doppel-Monochromator.       

Den Filterwechsler bekommen ich vermutlich selber hin, für die Filterwürfel werde ich einen Kumpel mit 3D-Drucker fragen, aber die dichroitischen Filter müsste ich beschaffen. Kennst Dafür eine günstige Quelle?

Viele Grüße
Christian

Hallo Christian, habe selber noch keine gekauft, "Semrock Filter" in eBay eingeben, da wird einem schwumrig bei den Preisen, 80$ ö.ä. Wenn Du einen Vorort Importer brauchst, dann gern PN an mich.

Wenn Du das mit dem Filterrad umsetzt, schreib das mal ins Forum. Was da nun alles adaptiert wird, ist erstmal nicht so wichtig, einfach die fast verlustfreie Zuführung der Quellen.

Wo ich vom Thema Filter abgekommen bin, das waren die fasergekoppelten Notchfilter. Raman baut man besser mit kollimierten Freistrahloptiken. Selbst in meiner fasergekoppelten Probe ist ein kleiner optischer Aufbau. Das sollte für viele der Anlass sein Mikroskop Optiken zu nutzen. Aber auch da ist es zeitgemäss mit einer fasergekoppelten Zuführung u. Wiedereinkopplung zu arbeiten. Nur der kritische Bereich bleibt eine Freistrahloptik. Das ist bei grossen Ramanmikroskopen oft nicht so, nur kann man die schlecht als mobil bezeichnen.
 


 
 

SCHOTT Langpassfilter GG-420, 25,4 mm Durchm. 33 Euro, habe grad beim Mikroskopverkäufer nach einer Halterung gefragt, im Zweifelsfall im Fotoadapter.