DE1280580B

DE1280580B - Verfahren zur Bestimmung des relativen Brechnungsindex von lichtdurchlaessigen Stoffen in bezug auf ein Medium mit bekanntem Brechungsindex

Info

Publication number: DE1280580B
Application number: DEA52701A
Authority: DE
Inventors: Dipl-Elektrotechn Mar Hossmann
Original assignee: Siemens Albis AG
Current assignee: Siemens Schweiz AG
Priority date: 1965-09-03
Filing date: 1966-06-08
Publication date: 1968-10-17
Also published as: FR1500220A; NL6609551A; US3472598A; GB1149973A; CH428260A; ES330820A1; SE302214B

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND DEUTSCHES 4CTTO PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int.

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

.G02b

Deutsche Kl.: 42 h-36

P 12 80 580.0-51 (A 52701)

8. Juni 1966

17. Oktober 1968

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung des relativen Brechungsindex von lichtdurchlässigen Stoffen in bezug auf ein Medium mit bekanntem Brechungsindex mit einem Jamin-Interferometer.

Ein bekanntes Interferometer wurde von Jamin vorgeschlagen, das an Hand von Fig. 1 der Zeichnung erläutert wird. Zwei gleich dicke, planparallele Glasplatten Pl, P2 sind derart aufgestellt, daß Lichtstrahlen aus einer monochromatischen Lichtquelle L nach Reflexion an den beiden Platten in ein Fernrohr F gelangen. Jeder Strahl wird von der ersten Platte Pl durch Reflexion an der vorderen bzw. hinteren Fläche in zwei Teile si und s2 zerlegt. Beide Strahlen si und s2 werden an der vorderen und hinteren Fläche der Platte P 2 wiederum reflektiert und vom Fernrohr F aufgefangen.

Wie aus- F i g. 1 ersichtlich ist, sind die Wege der zwei Strahlen si und s2 nicht gleich lang, wenn die beiden Platten Pl und P 2 nicht genau parallel sind. Je nach dem Winkel, unter dem die Strahlen des divergenten Lichtbündels auf die erste Platte Pl einfallen und die Abhängigkeit von der Neigung der Platten Pl und P 2 gegeneinander, gelangen die zu jedem einfallenden Strahl gehörenden Teilstrahlen si und s2 mit einem Gangunterschied I in das Fernrohr F. Da diese Teilstrahlen si und .v2 kohärent sind, geben sie im Fernrohr zu Interferenzen Anlaß, und zwar entstehen:

Verfahren zur Bestimmung

des relativen Brechungsindex

von lichtdurchlässigen Stoffen in bezug auf ein Medium mit bekanntem Brechungsindex

Anmelder:

Albiswerk Zürich A. G., Zürich (Schweiz)

Vertreter:

Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. W. J. Berg und Dipl.-Ing. O. Stapf, Patentanwälte, 8000 München 2, Hilblestr. 20

Als Erfinder benannt:
Dipl.-EIektrotechn. Marcel Hossmann, Zürich (Schweiz)

Beanspruchte Priorität:

Schweiz vom 3. September 1965 (12338)

Hclligkeits-Maxima, wenn I = k/.

Brechungsindex π und damit die Wellenlänge des Lichtes auf der Strecke ä innerhalb des Gefäßes R. Hs entfallen also auf die Strecke d innerhalb und außerhalb des Gefäßes R nicht mehr gleich viele Wellenlängen. Damit ändert sich der Gangunterschied I zwischen den interferierenden Strahlen si und s2.

Hclligkeits-Minima, wenn I = Die Messung des Brechungsindex η der Luft geschieht nun folgendermaßen: Das Gefäß R ist vorerst evakuiert. Die Anzahl q der Wellenlängen ^ im

ist, wobei k eine ganze Zahl ist. Im Gesichtsfeld des Fernrohres ist also ein System äquidistanter, heller und dunkler Streifen (Interferenzstreifen) zu beobachten, deren Abstände und deren Lage von der gegenseitigen Stellung der Platten Pl und P2 abhängen. Zwischen die zwei Platten Pl und Pl ist ein luftleeres Gefäß R eingelegt, derart, daß der eine der beiden Teilstrahlen, z. B. si im 'Gefäß R und der andere Teilstrahl s2 außerhalb des Gefäßes R verläuft. Damit die Gefäßwandung keine Verfälschung ergibt, sind die vom Lichtstrahl si durchdrungenen Deckplatten D derart vergrößert, daß sie auch vom zweiten Lichtstrahl s2 durchdrungen wer-QCn,

Wird nun durch Einlassen von Luft der Luftdruck ρ im Gefäß R verändert, so ändert sich der Gefäß R ist nun q = ^- . Läßt man nun Luft einströmen, so verschieben sich die Intcrferenzstreifcn im Fernrohr F. Durch Auszahlen der vorbeiwandernden Interferenzstreifen wird eine Zahl N erhalten. Nach einer bekannten Formel läßt sich damit der Brechungsindex η der Luft bei einer bestimmten Temperatur und bei einem bestimmten Druck bestimmen:

U ^x *

Nachteilig an diesem Interferometer ist, daß evakuierte Gefäße zu verwenden sind, die bei jeder Messung mit Luft gefüllt werden. Außerdem können damit nur Brechungsindizes von gasförmigen oder flüssigen Stoffen gemessen werden, nicht aber von festen Stoffen. Die Zahl N braucht im allgemeinen

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Fall keine ganze Zahl zu sein, was dann bei der Auszählung nur schwer abzulesen ist.

Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Angabe eines Verfahrens zur Bestimmung des relativen Brechungsindex von lichtdurchlässigen Stoffen in bezug auf einen Stoff mit _ bekanntem Brechungsindex niit einem Jamin-Interferometer, bei dem der Brechungsindex der Stoffe während des Meßvorganges nicht veränderbar ist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das monochromatische Licht mit Hilfe eines einstellbaren Monochromators erzeugt wird und daß an der Beobachtungsstelle ein Lichtdetektor vorgesehen ist, den die zusammengeführten Lichtbündel durch eine Blende bestrahlen, wobei der relative Brechungsindex dadurch bestimmt wird, daß der Frequenzunterschied der verwendeten Strahlung festgestellt wird, der beim Verstellen des Monochromators im Lichtdetektor aufeinanderfolgend gleiche Signale erzeugt, woraus sich der gesuchte Brechungsindex π nach der Formel

und in (2) eingesetzt, so ergibt sich
d ρ q ρ + x q + x±l

η ■ ν

η·ν

Aus dieser Gleichung lassen sich die Zahlen q und ρ berechnen

und damit auch

q =ρ·η

d_ c

Durch Einsetzen in der Gleichung (4) kann nach dem Brechungsindex η der Luft aufgelöst werden, es ergibt sich

n= 1 ±

d{v*-v) "

η = 1 ±

d(v*-v)

ergibt (c = Lichtgeschwindigkeit im Vergleichsmedium, d = Länge der Meßstrecke).

Gemäß der Erfindung wird beispielsweise in den einen Strahl, z. B. si, ein evakuiertes Gefäß R eingelegt; im zweiten Strahl s2 wirkt die Umgebungsluft. Man erhält damit nach der Reflexion an der Platte P 2 eine Interferenz zwischen den zwei Strahlen si und s2, die wohl die gleiche Frequenz, aber eine unterschiedliche Phasenlage haben. Naturgemäß gibt es Lichtfrequenzen, bei denen die Wellen der beiden Strahlen in Phase bzw. in Gegenphase liegen, so daß am Beobachtungsort Helligkeitsmaximä bzw. Helligkeitsminima entstehen.

Von einer dieser Lichtfrequenzen aus wird dann die Frequenz so weit verändert, bis die gleiche Phasenlage ein nächstes Mal eintrifft. '

Im ersten Fall, mit einer Frequenz v, sind in der Strecke d im evakuierten Gefäß R eine bestimmte Anzahl Perioden: ρ -X₀, während auf die gleiche Strecke außerhalb des Gefäßes q - λ Perioden fallen. Mit der Frequenz ν ist die Wellenlänge im Gefäß

^ = — und außerhalb des Gefäßa's λ = —.

V V

Der zweite Fall ergibt die gleiche Phasenlage am Beobachtungsort bei einer anderen Lichtfrequenz v*. Im Gefäß seien (p + x)-Ä$ Perioden, und auf der gleichen Strecke in der Luft seien (q + x±l)· λ* Perioden. Mit der neuen Frequenz v* ist damit die Wellenlänge im. Gefäß: $ — 4r und außerhalb des

Gefäßes λ* = 4.

Die Strecke d im Gefäß läßt sich damit durch Lichtgeschwindigkeiten c und u sowie durch Lichtfrequenzen ν und-ν* ausdrücken:

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Wird die Lichtgeschwindigkeit μ in der Luft als Quotient zwischen der Lichtgeschwindigkeit c und dem Brechungsindex η dargestellt

u =

(3) Mit dieser letzten Formel (7) für den Brechungsindex π kann aus dem Beispiel für Vakuum und Umgebungsluft auf andere Stoffe, beispielsweise bekanntes Glas und unbekanntes Glas, geschlossen werden. Dabei müßte an Stelle der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum c die Lichtgeschwindigkeit im bekannten Stoff eingesetzt werden.

In F i g. 2 wird in einem Ausführungsbeispiel die Einrichtung näher erläutert.

Die zwei Glasplatten Pl und Pl sind, wie weiter oben beschrieben, zwei gleich dicke, planparallele Glasplatten, die gegeneinander parallel angeordnet sind. Die erste Glasplatte Pl wird aus einer Lichtquelle L über eine Vorrichtung zur Dispersion des Lichts, beispielsweise ein Prisma V, angestrahlt. Aus einem mit einer Blende Bl aus dem Spektrum ausgewählten Lichtstrahl entstehen durch Reflexion an der Glasplatte Pl die zwei Lichtstrahlen si und s2, die beide auf die zweite Glasplatte P 2 treffen und dort reflektiert werden. Zwei reflektierte Strahlen fallen zusammen und können mit einer zweiten Blende Bl auf eine Photozelle Z geführt werden. Durch Drehen des Prismas V wird aus dem weißen Licht jede Spektralfarbe einzeln auf die Photozelle Z geworfen. Im Weg zwischen den Glasplatten Pl und Pl liegt im einen Strahl si ein evakuiertes Gefäß R, dessen Deckflächen D in den zweiten Strahl s2 eindringen.

Das Prisma V wird nun für die Messung derart eingestellt, daß die Photozelle Z beispielsweise einen minimalen Strom abgibt, was in bekannter Weise über einen Verstärker mit einem Meßgerät feststellbar wäre. Darauf wird die Frequenz des Lichtes bestimmt und das Prisma weiter verdreht, bis die nächste Dunkelstelle auf die Photozelle Z fällt. Hierauf wird die neue Lichtfrequenz festgestellt. Mit der Formel (7) kann dann der Brechungsindex der Umgebungsluft genau berechnet werden. Die Lichtfrequenzen können am Antrieb des Prismas mit einem Zeiger und einer Skala angegeben werden.

Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Bestimmung des relativen Brechungsindex von lichtdurchlässigen Stoffen in bezug auf ein Medium mit bekanntem Brechungsindex mit einem Jamin-Interferometer,

dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise das monochromatische Licht mit Hilfe eines einstellbaren Monochromators (L, V, Bl) erzeugt wird und daß an der Beobachtungsstelle ein Lichtdetektor (Z) vorgesehen ist, den die zusammengeführten Lichtbündel (S₁, S₂) durch eine Blende (B2) bestrahlen, wobei der relative Brechungsindex dadurch bestimmt wird, daß der Frequenzunterschied v* — v der verwendeten Strahlung festgestellt wird, der beim Verstellen des Monochromators (L, V, Bl) im Lichtdetektor (Z) aufeinanderfolgend gleiche Signale erzeugt, woraus sich der gesuchte Brechungsindex η nach der Formel

η — 1 ± -77-* Γα (v* — v)

ergibt (c = Lichtgeschwindigkeit im Vergleichsmedium, d = Länge der Meßstrecke).

In Betracht gezogene Druckschriften: USA.-Patentschrift Nr. 2 703 033; Grimsehl, »Lehrbuch der Physik«, Bd. III, Teubner Verlagsgesellschaft Leipzig, S. 102 und 103.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

m 627/1213 10.6t O Bundeidruckerei Berlin