DD228353A5

DD228353A5 - Interferometer

Info

Publication number: DD228353A5
Application number: DD27116684A
Authority: DD
Inventors: Volker Tank
Original assignee: Deutsche Forsch Luft Raumfahrt
Priority date: 1983-12-22
Filing date: 1984-12-19
Publication date: 1985-10-09
Also published as: JPH058769B2; DE3346455A1; JPS60157027A

Abstract

Bei dem erfindungsgemaessen Interferometer nach dem Michelsonprinzip wird eine Weglaengenaenderung durch eine Rotation eines beweglichen Spiegels in Form eines Rueckstrahlers bewirkt, so dass keine mechanische Vor- und Rueckbewegung eines Spiegels stattfindet. Interferometer dieser Art koennen in einem breiten Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung zur Spektroskopie eingesetzt werden; als Beispiele seien die Spektralanalyse in der Chemie und die Astronomie (beispielsweise im Infraroten) genannt. Fig. 2

Description

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Titel der Erfindung:

G 25

Interferometer

Anwendungsgebiet der Erfindung:

30 Die Erfindung betrifft ein Interferometer nach dem Michelson-Prinzip. Interferometer dieser Art werden in einem breiten Bereich des Spektrums der elektromagnetischen Strahlung zur Spektrokospie eingesetzt; als Beispiele seien die Spektralanalyse in der Chemie und die Astronomie (beispielsweise im Infraroten) genannt.

- 2 Charakteristik der bekannten technischen Lösungen;

Prinzipiell weisen Interferometer nach Michelson gemäß Fig. 1 zwei senkrecht zueinander stehende Planspiegel Sl und S2, von denen der eine Spiegel Sl ortsfest ist, und der andere Spiegel S2 parallel verschiebbar ist, und einen Strahlteiler ST auf, der einen Winkel von 45° mit beiden Spiegeln Sl und S2 bildet, und die Wellenzüge der von einer Strahlungsquelle Q einfallenden Strahlung in amplitudengleiche Hälften teilt, deren eine Hälfte (hier) zu dem festen Spiegel Sl durchgelassen wird und deren andere Hälfte zu dem beweglichen Spiegel S2 reflektiert wird. Von beiden Spiegeln Sl und S2 reflektiert, rekombinieren die Strahlungshälften am Strahlteiler ST und gelangen zu einem Detektor D.

Ist der optische Weg durch beide Interferometerarme (mit den Spiegeln Slund S2) gleich lang, so überlagern sich die Strahlungshälften positiv und führen zu einem großen Detektorsignal; ist durch Verschieben des beweglichen Spiegels der optische Weg um z.B. ^_s/₂ ^einer bestimmten Wellenlänge 3 unterschiedlich, so überlagern sich die Hälften der Strahlung der Wellenlänge "λ negativ; sie löschen sich dann aus und der Detektor empfängt keine Strahlung der Wellenlänge % . Bei kontinuerlicher Spiegelbewegung über einen optischen Weg von vielen Wellenlängen wechseln für alle Wellenlängen A der einfallenden Strahlung Addition, Auslöschung und alle Zwischenstufen kontinuierlich entsprechend "λ . Das dabei erhaltene Detektorsignal (nämlich das Interferogramm) ist die Fouriertransformierte des Spektrums der einfallenden Strahlung; durch eine Digitalisierung und Fouriertransforma- - tion in einem elektronischen Rechner wird aus dem Interferogramm das Spektrum errechnet.

Das spektrale Auflösungsvermögen eines Interferometers ist proportional der Wegdifferenz seiner Arme; je weiter

also der bewegliche Spiegel bewegt wird, desto größer ist das Auflösungsvermögen*des Geräts.

Bei gegenwärtig verwendeten Interferometern nach Michelson, oder Abwandlungen davon, wird die notwendige Wegdifferenz immer durch eine mechanische Vor- und Rückbewegung eines oder auch beider Interferometerspiegel erzeugt. Beispielsweise wird der Spiegel mit Hilfe eines Schiebeschlittens (gelegentlich auch unter Verwendung dispersiver Komponenten) oder auch eines Pendels bewegt, wobei für aufeinanderfolgende Messungen der Spiegel ständig hin- und herbewegt werden muß. Die Notwendigkeit der Hin- und Herbewegung begrenzt die erreichbare Meßgeschwindigkeit und damit die Zeitauflösung des Geräts. Ferner kann im allgemeinen das Spektrometer während des Spiegelrücklaufs nicht zur Messung verwendet werden, da beim Anhalten und Umkehren des Spiegels die Information über die Spiegelposition verloren geht. Die Spiegelposition wird meist interferometrisch mit Hilfe eines Lasers bestimmt, und ihre Kenntnis ist unerläßlich für die Durchführung der Fouriertransformation (und auch schon für die Digitalisierung des Interferogramms).Das bedeutet aber, daß wirklich kontinuierliche Messungen nicht möglich sind, sondern nur periodisch Abschnitte eines Zeitablaufs erfaßt werden können.

Da während einer Messung (also insbesondere während der Spiegelbewegung) die beiden Interferometerspiegel ständig exakt senkrecht zueinander stehen müssen, werden hohe Anforderungen an die Mechanik der Spiegelführung gestellt, was - insbesondere bei großen Spiegelhüben (bei hoher spektraler Auflösungskraft) und/oder kleinen zu messenden Wellenlängen - einen großen Aufwand bedeutet.

Entsprechend obigen Ausführungen wird daher als Nachteil gegenwärtig in der Praxis verwendeter Verfahren und Vorrichtungen angesehen, daß

a) Hin- und Herbewegungen durchgeführt werden,

b) die Meßgeschwindigkeit⁵ deshalb begrenzt ist,

c) zeitlich lückenlose Messungen nicht möglich sind, und

d) ein verhältnismäßig großer Aufwand nötig ist

.

Als weiterer Nachteil wird angesehen, daß wegen der notwendigen Lagerung des bewegten Spiegels im allgemeinen nur ein Betrieb des Interferometers in horizontaler Stellung möglich ist, zumindest aber ein Betrieb in beliebiger Lage nicht möglich ist.

Ziel der Erfindung:

Mit der Erfindung soll daher ein Interferometer nach dem Michelsonprinzip unter möglichst weitgehender Vermeidung der genannten Nachteile und Schwierigkeiten derart verbessert werden, daß mit verringertem Aufwand zeitlich lückenlose und kontinuierliche Spektralmessungen mit

seht hoher Geschwindigkeit in einer beliebigen Lage des Interferometers ohne Hin- und Herbewegungen durchführbar sind.

Darlegung des Wesens der Erfindung:

Bei einem Interferometer nach dem Michelson-Prinzip ist als beweglicher Spiegel ein rotierender Rückstrahler vorgesehen und zusätzlich zu einem ersten festen Planspiegel ist ein zweiter fester Planspiegel vorgesehen, welcher senkrecht zu dem ersten festen Planspiegel des Interferometers angeordnet ist. Hierbei ist die Drehachse des Rückstrahlers zu dessen Symmetrieachse bezogen auf das Symmetriezentrum des Interferometers seitlich versetzt und Drehachse und Symmetrieachse des Rückstrahlers sind unter einem bestimmten Winkel zueinander geneigt. Darüber hinaus ist die Drehachse des Rückstrahlerszu der optischen Achse des Interferometers seitlich

so versetzt, daß beide Achsen sich nicht auf den spiegelnden Oberflächen des Rückstrahlers schneiden und die beiden Achsen zueinander geneigt sind. Hierbei kann • zweckmäßigerweise als Rückstrahler ein Tripelspiegel, ein Katzenauge oder etwas ähnliches verwendet werden. Ferner sind ein Strahlteiler, der rotierende Rückstrahler und der zweite feste Planspiegel des. Interferometers in ihren Abmessungen so ausgelegt und zueinander angeordnet, daß im Betrieb die gesamte, vom Strahlteiler kommende Strahlung von der einen Hälfte des Rückstrahlers aufgefangen wird, über dessen zweite Hälfte auf den zweiten festen Planspiegel reflektiert wird, welcher sie vollständig auffängt, und dann wird die Strahlung von dem zweiten festen Planspiegel auf umgekehrten Weg wieder vollständig zum Strahlteiler zurückreflektiert. Mit dem. Interferometer nach der Erfindung werden bei einer vollständigen Umdrehung des Rückstrahlers zwei halbseitige Interferogramrne gewonnen, welche durch Fouriertransformation zwei vollständige, zeitlich aufeinanderfolgende Spektren ergeben, oder aber ein vollständiges, symmetrisches Interferogramm gewonnen wird, welches ein Spektrum ergibt. Auch sind mit diesem Interferometer durch die Rotation des Rückstrahlers kontinuierliche Spektralmessungen ohne irgendwelche zeitliche Lücken durchführbar. Auch ist die Meßgeschwindigkeit des Interferometers durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rückstrahlers steuerbar, so daß bei sehr hohen Meßgeschwindigkeiten die Spektralmessungen eine hohe zeitliche Auflösung aufweisen.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1: eine schematische Schnittdarstellung eines herkömmlichen Interferometers, und

Fig. 2 eine schematische⁵Schnittdarstellung einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers.

Ausführungsbeispiele:

Gemäß einer·bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist - in Verbindung mit einem zweiten festen Planspiegel SF2 als beweglicher Spiegel des Interferometers ein Rückstrahler (Retrorefektor) RS verwendet, welcher so ausgebildet ist, daß er (mit einer gewünschten Geschwindigkeit) um seine Achse DA rotiert, wobei diese Achse zur.optischen Achse OA des Interferometers seitlich versetzt ist; außerdem sind die beiden Achsen DA und SYA auch um einen Winkel 06 gegeneinander geneigt; die Drehachse DA liegt da-" bei" vorteilhafterweise in der Ebene, die durch die beiden Interferometerarme festgelegt ist. Der gestrichelt dargestellte Rückstrahler RS gibt den Rückstrahler RS lediglich in einer anderen Position der Drehbewegung wieder.

Darüber hinaus ist die Drehachse DA des Rückstrahlers RS auch zur Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers RS seitlich versetzt und ist zu ihr in einem Winkel fh geneigt (Fig. 2); Drehachse DA und Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers RS sind also nicht parallel. Sowohl der seitliche Versatz der Drehachse DA zu den beiden Achsen (nämlich der optischen Achse OA des Interferometers und der Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers) als auch die Neigung der Drehachse DA zur Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers und auch zur optischen Achse OA des Interferometers, .sowie die gesamte Konstruktion sind in ihrem Aufbau und in ihren Abmessungen so ausgeführt, daß in jeder Winkelstellung des rotie-

renden Rückstrahlers RS dessen eine Hälfte sich gegenüber dem Strahlteiler ST des Interferometers befindet und die von dort kommende Strahlung vollständig aufnimmt; seine " andere Hälfte muß sich dabei immer gegenüber dem zweiten festen Spiegel SF2 (Fig. 2) befinden, welcher vor allen Dingen die vom Rückstrahler RS in Richtung des festen Spiegels SF2 reflektierte Strahlung vollständig aufnimmt. Ferner muß der Spiegel SF2 zum ersten festen Spiegel Sl des Interferometers senkrecht stehen. Der übrige Teil des Interferometers kann in einer der bekannten Arten ausgeführt sein, z.B. als konventionelles Michelsoninterferometer (Fig. 2 zeigt dafür schematisch ein gesamtes Interferometer), oder in irgendeiner Abwandlung davon.

Bei einer vollständigen Drehung des Rückstrahlers RS bewirken Versatz und Neigung seiner Drehachse DA (bezogen auf die beiden anderen Achsen), daß sich die Weglänge χ zwischen den festen Bezugspunkten (nämlich dem Strahlteiler ST und dem zweiten festen Spiegel SF2) ändert; wenn beispielsweise von einer Winkelstellung ausgegangen wird, bei der die Weglänge die kürzeste ist, nimmt diese bis zu einem Maximum zu (das nach einer halben Umdrehung erreicht wird), und nimmt dann wieder bis zum Minimum ab (welches nach der vollen Umdrehung erreicht wird). Dieses Verhalten kommt durch die beschriebene Anordnung der drei Achsen, nämlich der optischen Achse OA des Interferometers, der Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers und der Drehachse DA des Rückstrahlers, zustande, wodurch bewirkt wird, daß bei Drehung des Rückstrahlers RS dieser sowohl horizontal als auch vertikal gegenüber den festen Bezugsgrößen (ST und SF2) versetzt wird. Bei kontinuierlicher Rotation des Rückstrahlers RS ändert sich die Weglänge χ daher kontinuierlich, wobei sie ständig zwischen Maximum und Minium wechselt.

Die Kombination aus dem Rückstrahler RS und dem zweiten

festen Spiegel SF2 sorgt im übrigen dafür, daß die Strahlung in diesem Arm des Interferometers immer genau zu dem Punkt des Strahlteilers ST zurückkehrt, von dem sie gekommen ist. Ist mit C6 der Neigungswinkel zwischen Dreh-DA und Symmetrieachse SYA des Rückstrahlers RS und mit ß der Neigungswinkel zwischen optischer Interferometerachse OA und Rückstrahlerdrehachse DA bezeichnet und ist (X- = β gewählt, so berechnet sich die maximale Wegdifferenz χ zwischen dem zweiten festen Spiegel SF2 und dem Strahlteiler ST (zwischen den beiden extremen Rückstrahlerstellungen) nach der Gleichung

χ = 2d . sinöc (1)

wobei d die seitliche Versetzung der Drehachse des Rückstrahlers RS zu seiner Symmetrieachse SYA ist (wobei vom Symmetriezentrum SZ senkrecht zur Drehachse gemessen ist und wobei das Symmetriezentrum SZ jener Punkt sein soll, der einen parallel zur Symmetrieachse SYA einfallenden Strähl in sich selbst zurückwirft). Nachdem die Strahlung die Interferometerarme zweimal durchläuft, ist damit die maximale optische Wegdifferenz

2x = 4d . sinöc . (2)

Die beiden Arme des Interferometers (nämlich derjenige mit dem festen Spiegel Sl und derjenige mit dem rotierenden Rückstrahler RS) werden in bekannter Weise so aufeinander abgestimmt, daß der Weg durch beide Arme gleich lang ist, wenn der Weg im Arm mit dem.rotierenden Rückstrahler RS minimal ist, bzw. der Arm mit dem festen Spiegel Sl kann einige Wellenlängen (der größten untersuchten Wellenlänge) länger sein als das Minimum des Weges durch den Arm mit dem rotierenden Rückstrahler RS.

Der zweite genannte Fall ist der gebräuchlichere, weil dadurch am Anfang der Messung ein Interferogramm zu beiden Seiten des Symmetriepunktes SZ des Interfero-

grammes (gleiche Weglänge durch beide Arme des Interferometers) gewonnen wird, weldhes in bekannter Weise zur Phasenkorrektur bei der Berechnung des Spektrums verwendet wird. Natürlich können die Weglängen auch so abgestimmt werden, daß ein vollständig symmetrisches Interferogramm gewonnen wird.

Entsprechend obigen Ausführungen ist daher, ohne daß ein Teil des Geräts vor- und zurückbewegt wird, eine kontinuierliche Änderung des Weges in einem Arm des Interferometers allein dadurch erreicht,« daß nur eine Rotationsbewegung des Rückstrahlers RS ausgeführt wird. Bei diesem interferometrischen Meßverfahren braucht also der Spiegel nicht ständig angehalten und wieder beschleunigt zu werden, sondern er rotiert kontinuierlich. Bei dieser erfindungsgemäßen Vorrichtung ist es daher möglich, nicht nur eine technisch einfache und präzise Lagerung des zu bewegenden Spiegels mit verringertem Aufwand zu realisieren, sondern darüber hinaus ist auch der Antrieb und die -(elektronische) Regelung des Spiegellaufs mit einem wesentlich geringeren Aufwand durchführbar.

Als besonderer Vorteil ist obendrein anzusehen, daß (durch die Verwendung des Rückstrahlers RS) während dessen Rotation die Spiegel Sl und SF2 ständig senkrecht zueinander bleiben (was bei dem vor- und zurückzubewegenden Spiegel S2 (Fig.l) und dem Spiegel Sl nur mit sehr großem Aufwand realisierbar ist); natürlich müssen die Spiegel Sl und SF2 (Fig.2) bzw. Sl und S2 (Fig.l) vor Meßbetrieb senkrecht zueinander justiert werden.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Interferometers sind insbesondere darin zu sehen, daß

1. zeitlich lückenlose Messungen durchführbar sind,

2. sowohl langsame als auch insbesondere sehr schnelle

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-ΙΟΙ Messungen durchführbar sind,

3. mit verringertem Aufwand ein vibrations- und schockunempfindliches Interferometer ausgeführt werden kann,

4. durch den verringerten Aufwand an Elektronik und Mechanik ein kompaktes, kleines Interferometer hergestellt werden kann, welches insbesondere zusammen mit einem geeigneten Mikroprozessor als tragbares, vollständiges Spektrometersystem ausgebildet werden kann, und

5. wegen der einfachen universellen Lagerung des bewegten Spiegels ein Betrieb des Interferometers in jeder beliebigen Lage im Raum möglich ist.

Selbstverständlich kann auch das erfindungsgemäße Interferometer entsprechend den in der Literatur beschriebenen Abwandlungen nach dem Michelsonprinzip ausgebildet werden, z.B. als polarisierendes oder dispersives Interferometer. Eine Justierung des festen Spiegels, eine Wegmessung der Spiegelposition, usw. können in bekannter Weise auch hier durchgeführt werden, z.B. kann die Wegmessung durch Laser .und Weißlicht mit entsprechenden Detektoren im Strahlengang, oder durch Ausbildung eines entsprechenden Referenzinterferometers durchgeführt werden.

Die Art des Rückstrahlers, seine geometrischen Abmessungen, dessen Neigung und der Versatz der drei Achsen sowie die Oberflächengüte des Rückstrahlers sind in üblicher Weise an die Meßaufgabe anzupassen. Das gilt ebenso für die Spiegellagerung, die Rotationsgeschwindigkeit und die zugehörige Elektronik

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Grundsätzlich kann das erfindungsgemäße Interferometer bei allen bisher verwendeten Interferometerverfahren ein-

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Claims

gesetzt werden, bei denen die Änderung der Wegdifferenz durch Hin- und Herbewegen in irgendeiner Form erzielt wird. Auch der Spiegel Sl kann als Kombination von Rückstrahler und festem Spiegel ausgebildet sein, wodurch eventuelle Abbildungsfehler kompensiert werden und größere Weglängendifferenzen erreicht werden können. Durch Steuerung der Phase der beiden Rotationsbewegungen (der beiden Rückstrahler) zueinander läßt sich hierbei auch der Geschwindigkeitsverlauf der Weglängenänderung beeinflüssen. Ferner kann diese Methode zur Konstruktion jeder anderen Art von Spektrometern verwendet werden, falls dabei sich ändernde Weglängen erforderlich sind. Selbstverständlich ist der rotierende Rückstrahler entsprechend auszuwuchten.

Erfindunqsanspruch:

1. Interferometer nach dem Michelsonprinzip, mit einem ersten festen Planspiegel, einem beweglichen Spiegel und einem Strahlteiler, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche Spiegel ein rotierender Rückstrahler (RS) ist, daß zusätzlich zu dem ersten festen Planspiegel (Sl) ein zweiter fester Planspiegel (SF2) vorgesehen ist, der senkrecht zu dem ersten festen Planspiegel (Sl) des Interferometers angeordnet ist, daß die Drehachse (DA) des Rückstrahlers (RS) zu dessen Symmetrieachse (SYA), bezogen auf das Symmetriezentrum (SZ), seitlich versetzt ist, und daß Drehachse (DA) und Symmetrieachse (SYA) des Rückstrahlers (RS) zueinander geneigt sind (Winkel & ), daß die Drehachse des Rückstrahlers (RS) zu der optischen Achse (OA) des Interferometers seitlich so versetzt ist, daß beide Achsen sich nicht auf der spiegelnden Oberfläche des Rückstrahlers (RS) schneiden, und daß die beiden Achsen zueinander geneigt sind.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η -

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zeichnet, daß.der Rückstrahler (RS) ein Tripelspiegel, Katzenauge o.a. ist.
3. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlteiler (ST), der rotierende Rückstrahler (RS) und der zweite feste Planspiegel (SF2) des Interferometers in ihren Abmessungen so ausgelegt und zueinander angeordnet sind, daß im Betrieb die gesamte, vom Strahlteiler (ST) kommende Strahlung von der einen Hälfte des Rückstrahlers (RS) aufgefangen wird, über dessen zweite Hälfte auf den zweiten festen Planspiegel (SF2) reflektiert wird, welcher sie vollständig auffängt, und die Strahlung dann von dem zweiten festen Planspiegel (SF2) auf umgekehrtem Weg wieder vollständig zum Strahlteiler (ST) zurückreflektiert wird.
4. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer vollständigen Umdrehung des Rückstrahlers (RS) zwei halbseitige Interferogramme gewonnen werden, welche durch Fouriertransformation zwei vollständige, zeitlich aufeinanderfolgende Spektren ergeben oder aber ein vollständiges, symmetrisches Interferogramm gewonnen wird, welches ein Spektrum ergibt.
5. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Rotation des Rückstrahlers (RS) mit dem Interferometer kontinuierliche Spektralmessungen ohne zeitliche Lücken durchführbar sind.
6. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßgeschwindigkeit des Interferometers durch die Rotationsgeschwindigkeit des Rückstrahlers (RS) steuerbar ist, und daß bei sehr hohen Meßgeschwindigkeiten die Spektralmessungen

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- 13 eine hohe zeitliche Auflösung aufweisen.
7. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die senkrechte Justierung der beiden Planspiegel (Sl, SF2) während des Meßlaufs bestehen bleibt.
8. Interferometer nach der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Symmetrieachse (SYA) des Rückstrahlers (RS) geneigte Drehachse (DA) des Rückstrahlers (RS) in der Ebene bzw. parallel zu der Ebene angeordnet ist, die durch die beiden Arme des Interferometers, also durch die optische Achse in Richtung des Rückstrahlers (RS) sowie die optische Achse (OA) in Richtung der ersten festen Spiegel (Sl) festgelegt ist, und daß der Neigungswinkel (oc) der Drehachse (DA) zur optischen Achse (OA) gleich dem Neigungswinkel (A ) der Drehachse (DA) zur Symmetrieachse (SYA) ist.

- Hierzu 2 Blatt Zeichnungen -

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