DE1951003B2

DE1951003B2 - Interferometer nach michelson insbesondere fuer die inter ferenzspektroskopie

Info

Publication number: DE1951003B2
Application number: DE19691951003
Authority: DE
Inventors: Andre Jean Chatillon-sous-Bagneux Girard (Frankreich)
Original assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Current assignee: Office National dEtudes et de Recherches Aerospatiales ONERA
Priority date: 1968-10-09
Filing date: 1969-10-09
Publication date: 1972-02-24
Also published as: DE1951003A1; US3684379A; GB1287612A; FR1602535A; CA945410A; SU363261A3

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer nach Michelson, insbesondere für die Interferenzspektroskopie, mit einer teildurchlässigen Strahlenteilerfläche, die vorzugsweise in einem Winkel von 45° zum Einfallsstrahl geneigt ist, zwei vorzugsweise rechtwinklig zueinander verlaufenden Spiegelflächen, von denen die eine senkrecht zum durchgelassenen Einfallsstrahl verläuft, während die andere senkrecht zum reflektierenden Strahl verläuft, und einer sammelnden Austrittsoptik, derrr; Achse parallel zur Einfallsebenc der Strahlenteilerfläci ε verläuft.

Bei bekannten Interferometern der erwähnten Art sind zur Erzeugung von Phascndifferenzen mechanische Bewegungen optischer Bauelemente, insbesondere Spiegel, erforderlich, die mit sehr hoher Genauigkeit durchgeführt werden müssen, was zu Geräten von großem Aufwand und Platzbedarf führt.
Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines demgegenüber verbesserten Interferometers, welches hinsichtlich seiner optischen Kennwerte zumindest ebenso leistungsfähig wie die bekannten Interferometer ist und unter Vermeidung von mit hoher Genauigkeit durchzuführenden Bewegungen optischerBauelemente einen wesentlich verringerten Aufwand und Platzbcdarf erfordert. Erreicht wird dies dadurch, daß die Ebene einer der Spiegelflächen einen im Vergleich zum Abstand der anderen Spiegelfläche sich kontinuierlich ändernden Abstand von jedem Durchstoßungspunkt der Trennflächc aufweist, so daß durch eine Relativbewegung zwischen Einfallsstrahl und Interferometer die Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen geändert werden kann.

Durch den sich kontinuierlich ändernden Abstand

^fio der Ebene der einen Spiegelfläche im Vergleich zum Abstand der anderen Spiegelfläche von jedem Durchstoßungspunkt der Trcnnflächc werden bei dem erfindungsgemäßen Interferometer zwangläufig Gangunterschiede bei der Strahlung hervorgerufen, die gemäß

<>5 dem Stand der Technik nur durch eine sehr genaue mechanische Bewegung optischer Bauelemente erziclbar sind. Durch den erzielten geringen Raumbedarf ergibt sich ein Anwendungsgebiet für crfindungs-

gemäße Interferometer insbesondere in Flugzeugen oder Raumkapseln. Das eriindiingsgemäße Iiuerferomeier eignet sich vorzüglich zur Analysierung von Strahlungsquelle!! mit einem sehr kleinen Öfl'nungswinkel, beispielsweise son Sternen, insbesondere zu deren Infrarotstrahkmgsaiialyse. Eine Strahlungsanalyse !mim mit dem erlinduiigsgemiißen Interferometer auf problemlose Weise durchgeführt werden, indem dieses in seiner Gesamtheit gegenüber einem au analysierenden Strahlenbündel etwa parallel zu du-r Sirahlenieilerfläche bewegt wird. Diese Bewegung isi im Gegensatz zu den bei den bekannten huerferoüietern auszuführenden mechanischen Bewegungen nptisclier Bauelemente innerhalb des Interferometers \ ollig problemlos.

Die Erfindung ist nachstehend an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfin-(!!ingsgemäßen Interferometers in perspektivischer Darstellung,

F i g. 2 ein einen Hauptbestandteil des Interferometers nach Fig. 1 bildendes Bauelement in perspektivischer Ansicht sowie in einer Darstellung analog Fig. 1,

Fig. 3 das Interferometer nach F i«. 1 in StirnasT-icht von links, bezogen auf Fi g. 1.

Fin. 4 einen Schnitt längs der Linie IV-IV von Ii u:. T-

F i g. 5 eine Schnittansicht des Interferometers entsprechend Fig. 4, jedoch mit einer demgegenüber nicht idealisierten Strahlengangdarstellung sowie einer zugeordneten Austrittsoptik,

F i g. 6 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Interferometers in perspektivischer Darstellung,

F i g. 7 ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Interferometers in perspektivischer Darstellung.

F i g. 8 das Interferometer gemäß F i g. 7 in auieinandergezogener und perspektivischer Darstellung der einzelnen Bauelemente,

F i g, 9 ein viertes Ausführungsbcispiel eines erfindungsgemäßen Interferometers in teilweise auscinandergezogener und perspektivischer Darstellung.

Fig. IO das Interferometer nach F i g. 9 in Stirnansicht von links, bezogen auf F i g. 9.

Fig. Il ein fünftes Ausführungsbeispiel eines crfhidungsgemäßen Interferometers in perspektivischer Darstellung.

Das Interferometer gemäß F i g. 1 bis 5 besteht im wesentlichen aus zwei im Querschnitt rechtwinkligen Prismenklötzen 10, 11 aus durchsichtigem Material, beispielsweise Glas, die mit ihren Hypotenuscnflächcn aufeinandergekittet sind und dort eine Strahlcnteilcrfläclic bilden. Der besseren Übersicht halber ist lediglich in F i g. 2 bis 5 jeweils die Hypotenusenfläche 15 des einen Prismcnklotzcs 11 veranschaulicht, die praktisch der erwähnten Strahlentcilcrfläche entspricht. An den Prismenklötzen 10, 11 sind Spiegelflächen 13. 18 vorgesehen, welche je einer Kathetcn-(lächc entsprechen.

Der eine Prismenklotz 11 ist bei leicht schrägem Verlauf seiner der Spiegelfläche 18 entsprechenden Katheten fläche zu der einen Prismenkante in Längsrichtung (bei Betrachtung gemäß Fig. 1 nach rechts) bezüglich einer Quersclinittsdimension leicht pyramidenstumpfartig zunehmend gestaltet, wobei eine Stirnfläche 33 des Prismenklolz.es ein rechtwinkliues Dreieck und eine andere, dieser entgegengesetzte Stirnfläche ein rechtwinkliges Trapez bilden, dessen kürzeste Seite 31 in Abhängigkeit vun der maximal zu erzielenden Gangdillereii/: gewählt ist. Mil anderen

.-, Worten bildet die Ebene der Spiegelfläche 18 mit

einer Strahlen-Einfallsebene (nachfolgend noch t.en:ui deliniert) der Strahlenteilerfläche bzw. der Hypoie-

nusenfläehe IS einen von 90" abweichenden Winkel.

Gemäß Fig. 1, 3, 4 sind zwei Einfalh.strahlen r, r 1

ίο veranschaulicht, die in den beiden Stirnflächenebenen des Prismenklotzes 11 verlaufend dargestellt sind. Wie sich aus F i g. 3, 4 ergibt, ist die Strahlenteilerfläche bzw. die Hypotenusenfläche 15 in einem Winkel von 45"' zu dem Einfallsstrahl ;· bzw. rl geneigt. Die beiden Spiegelflächen 13, 18 verlaufen rechtwinklig zueinander, wobei die Spiegelfläche 13 rechtwinklig zu dem Einfallsstrahl r bzw. rl ausgerichtet ist. Die Einfallsstrahlen r bzw. r¹. werden an der Strahlenteilerfläche bzw. Hypotenuscnfläche 15 an einem

Punkt B bzw. ßl teilweise um 90' nach oben (in Blickrichtung von F i g. 1 bis 5) gegen die Spiegelfläche 18 abgelenkt, teilweise jedoch auch zu einem Punkt E bzw. E1 der Spiegelfläche 13 durchgelassen und dort in sich wieder auf den Punkt ß bzw. Bl der Strahlenteilerfläche bzw. Hypotenusenfläche 15 reflektiert. Der an den Punkten B bzw. ß 1 um jeweils 90 abgelenkte Anteil der Einfallsstrahlen;·, rl wird an einem Punkt C bzw. Cl der Spiegelfläche 18 reflektiert und gelangt annähernd, d. h. mit einer in der

Praxis meist aenügenden Genauigkeit, wiederum zu dem Punkt ß "bzw. B 1 der Spiegelfläche 18 bzw. Hypotenusenfläche 15. Dort wird ein Teil der von den Punkten C, Cl kommenden Strahlung durchgelassen und ein Teil der von den Punkten E bzw. Ei kommenclen Strahlung um 90° abgelenkt, so daß ein Teil der Einfallsstrahlung an Punkten D bzw. D1 einer unteren, nicht verspiegelten Kathetenfläche 12 des Prismenklotzcs 10 das interferometer verläßt. Je nach der Gangdifferenz der an den Punkten C, E bzw. Cl,

EX reflektierten Strahlur.gsanteilc ergibt sich eine mehr oder minder starke Auslöschung beider Strahlungsanteile.

Die Einfallsebene der Einfallsstrahlen r bzw. rl ist cemäß den obigen Ausführungen genau definiert

durch die Punkte ß, C, £ bzw. ßl, Cl, El, wobei jedoch der Punkt D bzw. D 1 mit praktisch genügender Genauigkeit ebenfalls in der Einfallscbenc liegt. Bei extremen Anforderungen an die Genauigkeit kann das erfindungsgemäße Interferometer nach den

5·' Ausfiihrungsbcispiclen gemäß den nachfolgend noch zu beschreibenden F i g. 7, 8 bzw. 9, IO ausgebildet werden, tsei denen die Punkte .O bzw. D1 exakt in der jeweiligen Einfallscbenc liegen.

Gemäß F i g. 5 können der unteren Kathetenfläche

12 des Prismenklotzcs 10 eine Austrittsoptik 40 in Verbindung mit einem Auffangschirm in Form einer lichtempfindlichen Platte 42 zugeordnet werden. Ein einfallendes Strahlenbündel /„, welches beispielsweise von dem Austrittsspalt eines Spektrographcn ausgeht, wird alsdann durch die Austrittsoptik 40 als ein Lichtstrahl auf der Platte 42 abgebildet, welcher in der Schnittgeraden einer mittleren Eiiifallsebene mit der Platte 42 liegt. Durch eine Relativvcrscliiebung des Interferometers bzw. der beiden Prisniciiklöt/e

öj 10, 11 zusammen mit der Austrittsoptik sowie der Platte 42 gegenüber der Strahlungsquelle kann alsdann eine Strahlungsanalyse vorgenommen '■ rd· ii. wenn der Vcrschicbimgsabstand des intcrlVi'Miu Kt-

I 951 003

• chcn zwei Strahlungsmaxima oder Strahlungsima des auf der Platte 42 abgebildeten Streifens immt wird.

>as Interferometer gemäß Fig. 6 ist analog demgen nach Fig. 1 bis 5 aufgebaut, jedoch nicht aus menklötzen, sondern zwei Spiegelplattcn und r teildurchlässigen Glasplatte. Für gleiche Bce sind gleiche Beztigsbezeichnungen wie in F i g. 1 5 verwendet; für analoge Bauelemente sind mit m Indexstrich versehene Bezugsziffern gewählt, ngemäß bildet eine Glasplatte 15' eine Strahlen- :rfläche ähnlich der Strahlenteilerfläche bzw. Hy- :nusenfläche 15 von Fig. 1 bis 5. Je eine vergelte Platte 13', 18' entspricht in der Funktion Spiegelflächen 13 bzw. 18 von Fig. 1 bis 5. Die ne der Platte 18' bildet wiederum mit der Einebene der Strahlenteilerfläche bzw. Glasplatte 15' η von 90° leicht abweichenden Winkel, so daß ;chen der in Fig. 6 äußerst rechten Ecke der te 18' und den zusammenstoßenden äußerst iten Ecken der Glasplatte 15' sowie der Platte 13' Abstand It vorliegt, welcher der Länge der Seite on Fig. 1, 2 entspricht.

'as Interferometer nach F i g. 7, 8 weist zwei Prisklötze 10,11 auf, die vollständig denjenigen nach :. 1 bis 5 entsprechen, mit der Ausnahme, daß die letenflächen 13. 18 nicht verspiegelt sind. Beibart der einen etwas schräg verlaufenden, nicht piegelten Kathetenfläche 18 des einen Prismenzes 11 ist eine schwach keilförmige Platte 66 vorlien, welche eine gegenüber der Kathetenfläche 18 rößerer Annäherung senkrecht zu der Einfallsie verlaufende Spiegelfläche 69 aufweist. Das erial der Platte 66 bzw. der in dem Zwischenn zwischen der Kathetenfläche 18 sowie der Snieliche 69 vorliegende Stoff weist einen gegenüber Material der Prismenklötze 11. 12 unterschieden Brechungsindex auf. Benachbart zu der Ka- :nfläche 13 des zweiten Prismenklotzes 10. welnicht reflektierend ausgebildet ist. verläuft genau llel hierzu eine äußere Spiegelfläche 62 einer planllelen Platte 60, die aus einem Stoff mit einem :hunesindex entsprechend demjenigen der Platte esteht.

'enn die Prismenklötze 10. 11 aus einem Stoff mit in Brechungsindex η und die Platten 66, 60 aus η Stoff vom Brechungsindex n' bestehen, so kann. ι der geforderte Gansunterschied zwischen den ausstrahlen r. r\ (Fig. 1) einem Wert D entht. die Höhe Ii der Seite 31 bestimmt werden. ins eniibt sich die Differenz von Höhen el und e ;iden Stirnflächen 67. 68 der Platte 66. Es gilt:

η h - n'(e-el) = D/2,
n'h — n(e — el) = 0.

_>nn η — 1.609 ist. so gilt:
η = 1.507.
d = 0,16 mm.

iraus folgt:

h = —0,46 mm ,
el — e—- —0,38 mm.

Wäre /ι ■■-- (el — e), so verliefe die Spiegelfläche 69 genau senkrecht zu der Linfailsebenc der Kinfallsstrahlen /·, /I (Fig. 1), während gemäß der obigen Berechnung die Spiegelfläche 69 ähnlich der Kathetcnfläche 18 einen von 90 abweichenden Winkel mit der Einfallscbenc bildet, wobei jedoch die Annäherung an den Winkel von 9(1 bei der Spiegelfläche 69 größer als bei der Kathetenfläche 18 ist.

Betrachtet man bei einem Interferometer gemäß

ίο Fig. 7, 8 den Strahlengang parallel zur jeweiligen Einfallscbene, so läßt sich leicht zeigen, daß unter Verwendung der obigen rechnerischen Ergebnisse der von der Kathetenfläche 18 in die Platte 66 übergehende Strahlengang vom Lot weggebrochen, an der Spiegelfläche 69 reflektiert und beim Auftreffen auf die Kathetenfiäche 18 so zum Lot hingebrochen wird, daß in einem analog gemäß F i g. 3. 4 konstruierten Punkt D bzw. D1 beide Strahlengänge zusammenfallen, d. h. sowohl der an der Spiegelfläche 69 als

jo auch der an der Spiegelfläche 62 reflektierte Strahlungsanteil. Die planparallele Platte 62. welche durchweg eine Dicke e entsprechend der maximalen Dicke e der keilförmigen Platte 66 aufweist, dient lediglich zur Kompensation der maximalen, durch die Platte

as 66 eingeführten Gangditferenz.

Das Interferometer g.· r.iiiß Fig. 7, 8 kann daher auch bei großen Öffnungswinkeln des einfallenden Strahlenbündels verwendet werden, insbesondere in Verbindung mit einem Hohlspiegel eines astronomischen Teleskops. Bei dem letztgenannten Atwendungsfall sowie unter Verwendung eines Hohlspiegeldurchmessers von 120 cm lassen sich — wenn in dem untersuchten Wellenlängenbereich insgesamt lediglich eine Strahlungsleitung 2.5 · 10 " Watt zur Verfügung steht — mit dem erfindungsgemäßen Interferometer gemäß F i g. 7. 8 Strahlungsleistungen bis herunter zu 7.5 · 10~¹⁴ Watt nachweisen.

Das Interferometer gemäß F i g. 9, 10 ist analog demjenigen nach Fig. 7, 8 aufgebaut, wobei die

♦0 Funktion der keilförmigen Platte 66 gemäß Fig. 7. 8 durch eine Luftschicht 90 erfüllt wird, welche durch zwei keilförmige Leistungen 91, 92 auf der Kathetenfiäche 18 des Prismenklotzes 11 sowie eine untere Spiegelfläche 97 einer auf die Leisten 91. 92 gesetzten planparallelen Platte 98 begrenzt ist. In ähnlicher Weise wird die Funktion der planparallelen Platte 60 gemäß Fig. 7, 8 durch eine Luftschicht 80 erfüllt, welche durch zwei auf die Kathetenfläche 13 des Prismenklotzes 10 gesetzte kantenparallele Leisten

81. 82 nebst einer dem Prismenklotz 10 zugewandten Spiegelfläche 83 einer planparallelen Platte 84 begrenzt ist. Die für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 7. 8 durchgeführten Berechnungen gelten in analoger Weise auch für das Ausführunssbeispiel gemäß Fi g. 9. 10. wobei für den Brechungsindex der Luftschichten 80. 90 jeweils der Wert η = 1 einzusetzen ist.

Das Interferometer gemäß Fig. 11 weist zwei im Querschnitt rechtwinklige Prismenklötze 100. 110 mit einer obeien Kathetenfiäche bzw. Spiegelfläche 18 sowie einer seitlichen Kathetenfläche bzw. Spiegelfläche 130 auf. Im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 bis 5 sind beide Prismenklötze 100. 110 bei leicht schrägem Verlauf jeweils beider Kathetenflächen bezüglich ihrer Querschnitte .eicht pyramidenstumpfförmig gestaltet.

Hierzu 2 Blau Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Interferometer nach Michelson, insbesondere für die Interferenzspektroskopie, mit einer teildurchlässigen Strahlenteilerfläche, die vorzugsweise in einem Winkel von 45° zum Einfallsstrahl geneigt ist, zwei vorzugsweise rechtwinklig zueinander verlaufenden Spiegelflächen, von denen die eine senkrecht zum durchgelassenen Einfallsstrahl verläuft, während die andere senkrecht zum reflektierten Strahl verläuft, und einor sammelnden Austrittsoptik, deren Achse parallel /ur Einfallsebene der Strahlcnteilerfläche verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene einer der Spiegelflächen (18) einen im Vergleich zum Abstand der anderen Spiegelfläche (13) sich kontinuierlich ändernden Abstand von jedem Durehstükiingspunkt der Trennfläche (14, 15) aufweist, so daß durch eine Relativbewegung zwischen Einfallsstrahl und Interferometer die Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen geändert werden kann.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (13, 18) und die Stralilenteilerfläclie (15) durch die Katheten- bzw. Hypotenusenflächen zweier im Querschnitt rechtwinkliger Prismenklötze (11, 10) aus durchsichtigem Material gebildet sind, die mit ihren Hypotenusenflächen aufeinandergekittet sind, und daß der eme bz.v. erste Prismenklotz (11) bei leicht schrägem Verlauf der der einen Spiegelfläche (18) entsprechenden Kathetenfläche zu der einen Prismenkantc in Längsrichtung bezüglich einer Querschnittsdimension leicht pyramidenstumpfartig gestaltet ist, wobei die eine Stirnfläche (33) ein rechtwinkliges Dreieck und die andere Stirnfläche ein rechtwinkliges Trapez bilden, dessen kürzeste Seite (31) in Abhängigkeit von der maximal zu erzielenden GangdifTirenz gewählt ist.

3. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Prismenklötzc (11, 10) aus dem gleichen durchsichtigen Material bestehen.

4. Interferometer nach einem der Ansprüche I bis 3. dadurch gekennzeichnet, daß benachbart der einen etwas schräg verlaufenden Kathetcnflächc (18) des ersten Prismcnklotzes (11), welche nicht reflektierend ausgebildet ist. eine mit dem-μcgcnübcr größerer Annäherung senkrecht zu tier F.infallscbcnc verlaufende Spiegelfläche (69) vorgesehen ist. daß in dem Zwischenraum zwischen diesen beiden Flächen ein Stoff von gegenüber dem Prismenmaterial unterschiedlichem Brechungsindex vorgesehen ist, daß benachbart zu der senkrecht gegenüber der etwas schräg verlaufenden Kathetenfläche (18) angeordneten Kathetcnfläehe (13) des zweiten Prismcnklotzes (10). welche nicht reflektierend ausgebildet ist, eine genau parallel hierzu verlaufende Spicuclflächc (62) vorgesehen ist, und daß in dem Zwischenraum zwischen diesen beiden Flächen (13. 62) ein Stoff von gegenüber dem Prismenmatcrial unterschiedlichem Brechungsindex vorgesehen ist (F i g. 8).

5. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch iiekenn/eichnct, daß die beiden Zwischenräume nebst den zugehörigen Spiegelflächen durch je eine keilförmige dünne Platte (66, 60) gebildet sind.

(i. Interferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Zwischenräume (90, 80) durch Luftschichten gebildet sind.

7. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegelflächen (130, 180) und die Strahlenteilerfläche (15) durch die Katheten- bzw. Hypotenusenflächen zweier im Querschnitt rechtwinkliger Prismenklötze (100, 110) aus durchsichtigem Material gebildet sind, die mit ihren Hypotenusenflächen aufeinandergekittet sind, und daß beide Prismenklötze bei leicht schrägem Verlauf jeweils beider Kathetenflächen bezüglich ihrer Querschnitte leicht pyramidenstumpfartig gestaltet sind.

8. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß in der Bildebene der Austrittsoptik (40) eine lichtempfindliche Schicht (42) gleicher Länge vorgesehen ist, die mit den Spiegelflächen sowie der Strahlenteilerfläche verschieblich verbunden ist.