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Interferometer Bei einem Durchgang eines natürlichen Lichtstrahls
durch eine doppelbrechende Platte entstehen zwei senkrecht zueinander polarisierte
und phasenverschobene Strahlen, die bekanntlich nicht miteinander interferieren.
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Die Erfindung beruht auf der Tatsache, daß jeder der beiden Strahlen
mit dem ihm parallel polarisierten Anteil eines dritten Strahles, der aus demselben
ursprünglich einfallenden Strahl abgezweigt ist, interferiert.
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Die Erfindung besteht demgemäß in einem Interferometer, in dessen
von einem Strahlenleiter getrennten Teilstrahlen Mittel angeordnet sind, welche
in dem einen oder beiden der Teilstrahlen für zwei aufeinander senkrecht polarisierte
Schwingungen verschiedene Gangunterschiede erzeugen, so daß in dem Teilstrahl zwei
Strahlen mit verschiedenen Wellenfronten entstehen, von denen jeder Strahl nach
Vereinigung mittels eines Strahlenvereinigers mit dem ihm parallel polarisierten
Anteil des anderen Teilstrahls interferiert. Es entstehen also zwei senkrecht zueinander
polarisierte Interferenzerscheinungen, deren Intensitäten sich addieren. Dutch einen
Analysator kann die eine oder die andere der Interferenzerscheinungen unterdrückt
werden. In einer Zwischenstellung des Analysators kann eine additive Intensitätsmischung
erzeugt werden, deren Intensitätsmaxima zwischen den Maxima der beiden obengenannten
einzelnen Interferenzerscheinungen liegen.
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In einer bevorzugten Ausführung benutzt man einen aus zwei nebeneinanderliegenden,
senkrecht zueinander polarisierenden Teilen bestehenden Analysator, der die beiden
Interferenzerscheinungen und ihre Mischungen nebeneinander darstellt.
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Man kann in einem Teil des letztgenannten Analysators eine Stelle
und in dem anderen Analysatorteil eine andere Stelle des zu untersuchenden Objekts
abbilden, das sich im Wege des einen Interferometer-Teilstrahls befindet, und man
kann durch Änderung der relativen Lage der Schwingungsrichtungen der beiden phasenverschobenen
Wellen zu den Schwingungsrichtungen des Analysators die Interferenz-Streifenlage
in beiden Teilen des Analysators gleichmachen. Hierdurch lassen sich Unterschiede
der optischen Dicke der beiden Stellen des Objekts mit der Genauigkeit von etwa
einem Fünfhundertstel der Lichtwellenlänge messen.
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In einer Ausführungsform des Interferometers ist das den Gangunterschied
erzeugende Mittel eine drehbare doppelbrechende Platte. Von der Lage ihrer Hauptschwingungsrichtungen
zum Analysator ist die Lage der resultierenden Interferenzstreifen abhängig, so
daß die Messung durch Drehen der doppelbrechenden Platte oder des Analysators erfolgen
kann.
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An Stelle der doppelbrechenden Platte kann auch die bereits bekannte
Anordnung dienen, in der durch einen polarisierenden Teiler die beiden Wellen verschiedener
Schwingungsrichtungen auf verschieden lange Wege
geschickt werden und danach durch
einen polarisierenden Teiler wieder vereinigt werden.
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Man kann zur Erzeugung des Gangunterschiedes totalreflektierende
Flächen z. B. von Prismen benutzen, denn die Phasen änderung bei Totalreflexion
ist für die Schwingungsrichtung parallel und senkrecht zur Einfallsebene verschieden.
Auch kann man die Phasenänderungen durch Belegen der totalreflektierenden Fläche
mit Schichten eines anderen Brechungsindex beeinflussen. Ferner ist die Phasenverschiebung
abhängig von dem Brechungsindex des Glaskörpers, an dem die totalreflektierende
Fläche angebracht ist. Man kann daher den Strahlenteiler aus einer Prismenkombination
bilden, derart, daß in einem Teilstrahl eine oder zwei Totalreflektionen mehr stattfinden
als in dem anderen, wobei zusätzlich die Glassorten verschieden sein können.
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Der Analysator kann aus zwei Polarisationsfolien bestehen, deren
jede eine Hälfte des Okulargesichtsfeldes bedeckt. Man kann aber auch ein an sich
bekanntes Nicolsches Prisma anwenden, das eine Austrittsfläche für den außerordentlichen
und eine Austrittsfläche für den ordentlichen Strahl besitzt. Dann werden die beiden
Strahlen so weit voneinander getrennt, daß genügend Platz für die Anordnung von
Fotozellen vorhanden ist.
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Hierzu sind auch an sich bekannte Strahlenteiler brauchbar, die eine
polarisierende Teilerschicht haben.
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Um die Fotozellen mit Wechsellicht zu betreiben, was des nachfolgenden
Verstärkers halber von Vorteil ist, kann das Interferometer anstatt mit natürlichem
Licht mit polarisiertem Licht beleuchtet werden, dessen Schwingungsrichtung periodisch
von einer zur anderen Hauptschwingungsrichtung des doppelbrechenden Teiles des Interferometers
bzw. des den Fotozellen vorgeschalteten polarisierenden Teilers wechselt.
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Diese Beleuchtungsart kann z. B. dadurch erzeugt werden, das dem
Interferometer ein rotierender Polarisator
vorgeschaltet wird,
oder es wird ein feststehender Polarisator venvendet, dem ein elektrooptisch wirkendes
Glied nachgeschaltet ist, in dem der Gangunterschied periodisch zwischen 0 und 2
durch eine zugeführte elektrische Spannung geändert wird; dadurch dreht sich, wie
bekannt, die Schwingungsebene des Lichts um 900 In der Zeichnung sind mehrere Ausführungsbeispiele
des Interferometers nach der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung nach Michelson. Mit 1 ist eine Lichtquelle,
mit 2 eine Kollektorlinse, mit 3 der Strahlenteilerwürfel, mit 4, 5 und 6 sind Objektive
bezeichnet. Dem Objektiv 5 gegenüber ist das Objekt 7 angeordnet, das beispielsweise
eine Vertiefung haben möge. In der Bildebene ist ein Analysator 8 angeordnet, dessen
beide Hälften senkrecht zueinander polarisieren, wie durch die Zeichen l und 11
angegeben ist. Er ist durch das Okular 9 zu betrachten. In dem Weg zwischen dem
Strahlenteiler und dem Referenzspiegel 10 ist eine doppelbrechende Platte 11 angebracht,
die um die Strahlenachse drehbar ist. Sie zerlegt das einfallende natürliche Licht
in zwei hintereinander herlaufende Wellen, die senkrecht zueinander polarisiert
sind. Die Wellenfronten sind mit 12 und 13 schematisch angedeutet.
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Jede dieser Wellen interferiert mit dem ihr parallel polarisierten
Anteil des vom Objekt reflektierten Strahles.
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Die Überlagerung dieser beiden Interferenzerscheinungen wird durch
den Analysator in seinen beiden Hälften komplementär dargestellt. Durch Drehen der
Platte 11 kann man die Helligkeit bzw. Lage der Interferenzstreifen der beiden Gesichtsfeldhälften
gleichmachen, so daß die Einstellung der Platte 11 ein Maß für den vom Objekt erzeugten
Gangunterschied ist.
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Fig. 2 zeigt eine Anordnung nach Mach-Zehnder.
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Bei dieser fällt das Licht der Lampe 1 durch den Kollektor 2 auf einen
Strahlenteiler 14 und wird durch den Strahlenteiler 15 wieder vereinigt, nachdem
jeder Teilstrahl an einer der Spiegelflächen 16, 17 total reflektiert wurde. In
einem Teilstrahl ist das Objekt 18 angeordnet.
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Bei jeder Totalreflexion entstehen für die Schwingungsrichtungen parallel
und senkrecht zur Einfallsebene verschiedene Phasenverzögerungen. Man macht diese
zwei Verzögerungen in den beiden Teilstrahlen dadurch ungleich, daß man die Prismen
16a und 17a aus verschiedenen Glassorten bildet oder (und) daß man verschiedene
dünne Belagschichten auf die Hypotenusenflächen bringt, was in der Zeichnung durch
Striche angedeutet ist. In dem wiedervereinigten Strahl ist ein an sich bekanntes
Nicolsches Prisma 19 angeordnet, das eine zusätzliche Austrittsfläche 20 für den
ordentlichen Strahl hat. Hierdurch werden die beiden senkrecht zueinander polarisierten
Interferenzerscheinungen räumlich getrennt, so daß zwei Fotozellen 21, 22 angeordnet
werden können.
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Fig. 3 zeigt eine Anordnung nach Michelson mit einem Teilerprisma
zwischen zwei Spiegeln 23, 24, die einander gegenüberstehen. Vor dem Spiegel 24
ist das Objekt 25 angeordnet, das beispielsweise mit einerDickenstufe dargestellt
ist. Vor dem Okular 9 ist der beschriebene geteilte Analysator 8 dargestellt. Das
Teilerprisma besteht aus zwei verkitteten Prismen 26, 27, die in ihrer Kittfläche
mit der halbdurchlässigen Schicht 28 versehen sind.
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Die Prismen sind so gestaltet, daß in dem Prisma 26 nur eine, in dem
Prisma 27 aber zwei Totalreflexionen stattfinden. Die Differenzen der Phasenverzögerungen
können dadurch noch beeinflußt werden, daß man die beiden Prismen aus verschiedenen
Glassorten bildet oder auf die totalreflektierenden Flächen Belagschichten aufbringt.
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Die Anordnung nach Fig. 3 gibt auch die Möglichkeit, durch Verschieben
eines der Spiegel 23, 24 oder des Teiler-
prismas in Richtung des Pfeiles 29 auf
die Interferenzen einzuwirken.
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Fig. 4 zeigt eine ähnliche Anordnung wie Fig. 3. Das Teilerprisma
ist hier eine Abwandlung des bekannten Prismas nach Köster, das in der Winkelhalbierenden
die Teilerfläche 30 besitzt. Jedoch sind noch die zwei totalreflektierenden Flächen
31, 32 vorgesehen. Die beiden Teilprismen 33, 34 können aus verschiedenen Glassorten
bestehen, und (oder) es können auch hier die Flächen 31, 32 belegt sein. Der Analysator
8 kann ersetzt werden durch eine polarisierende Mehrfach-Interferenzschicht, welche
den durchgehenden Strahl senkrecht zu dem reflektierten Strahl polarisiert.
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Fig. 5 zeigt eine Anordnung, bei der der Gangunterschied zwischen
den Wellen 12 und 13 durch eine Teilung des einen Strahls durch den polarisierenden
Teiler 32 ermöglicht wird, indem die Wege zu den Spiegeln 33 und 33 von der Teilerfläche
32 aus verschieden lang gemacht werden.
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Fig. 6 zeigt eine Anordnung zur Wechsellichtbeleuchtung der Fotozellen
21 und 22, die dadurch erreicht wird, daß dem Polarisator 34, dessen Durchlaßrichtung
mit einer Hauptschwingungsrichtung der doppelbrechenden Platte 11 und einer Durchlaßrichtung
des polarisierenden Teiler 35 übereinstimmt, ein elektrooptisches Glied 36 nachgeschaltet
ist. Dieses Glied 36 dreht die Schwingungsebene des aus dem Polarisator34 austretenden
Lichtes periodisch um 90°, indem der Gangunterschied im Glied 36 periodisch zwischen
0 und- durch einen Generator 37 2 geändert wird. Das Glied 36 kann eine Kerrzelle,
eine elektrooptisch anregbare Kristallplatte, z. B. Kupferchlorid, oder ein zu Ultraschallschwingungen
angeregtes optisch isotropes Material sein.