DE2405369C2 - Vorrichtung zur Strahlungsanalyse durch Interferenzspektrometrie - Google Patents

Description

Referenzgitters auf den Lichtempfänger, der daraufhin eine Wechselspannung erzeugt, die das Spektralsignal darstellt Diese Variante ist anwendbar, wenn das zu analysierende Licht hinreichend lange zur Verfügung steht, um die Modulation durch Bewegung des Referenzgitters durchzuführen. Bei der anderen Lösung, die im Patentanspruch 2 angegeben ist, werden zwei komplementär zueinander ausgebildete Referenzgitter gleichzeitig mifdem Licht-Strichmuster aus den Interferenzstreifen beaufschlagt Hinter jedem der Referenzgitter ist ein Objektiv angeordnet, das den das Referenzgitter passierenden Lichtfluß auf einen eigenen Lichtempfänger leitet Die Signale der beiden Lichtempfänger werden miteinander verglichen und die Differenz bildet das SpektralsignaL Diese Lösung verwendet man, wenn das Licht nur kurzzeitig zur Verfügung steht

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht in der erhöhten Lichtausbeute bei gleichem Auflösungsvermögen, verglichen mit einer Vorrichtung mit Keil-Interferometer. Diese erhöhte Lichtausbeute beruht auf der Art des verwendeten Interferometers. Bei einem Interferometer, das Abbildungen der Lichtquelle erzeugt werden nicht nur diejenigen Stellen erfaßt die sich auf der optischen Achse befinden, sondern alle Stellen, die in einer optischen Achse rechtwinkligen Ebene liegen. Die Iachtquelle kann daher eine größere Ausdehnung haben und sie braucht sich nicht auf den Brennpunkt einer Optik zu beschränken. Ein Keil-Interferometer, das notwendigerweise mit paralleler Strahlung beaufschlagt werden muß, wird nach der Erfindung vermieden. Durch die Oberlagerung zweier gleicher Abbildungen der Lichtquelle wird die Lichtausbeute wesentlich erhöht.

Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß die Wegdifferenz Δ der beiden Strahlen, die das Interferometer verlassen, durch Verschieben eines verschiebbaren Elementes verändert werden kann. Dadurch ist es möglich, das Interferometer für die Analyse unterschiedlicher (monochromatischer) Strahlung zu benutzen. Wenn beispielsweise das Referenzgitter durch Belichten einer Fotoschicht mit den Interferenzstreifen, die sich bei einer ganz bestimmten Wellenlänge ergeben, entstanden ist so können mit demselben Referenzgitter auch Strahlungen anderer Wellenlängen ermittelt werden, wenn die Position des verschiebbaren Elementes verändert wird. Es ist also nicht erforderlich, in jedem Fall das Referenzgitter auszuwechseln, sondern man braucht nur die Weglänge Δ durch Änderung der Position des verschiebbaren Elementes zu ändern.

Im folgenden werden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert Es zeigt

F i g. i eine perspektivische Darstellung der Vorrichtung mit zwei zueinander komplementären Referenzgittern,

Fig.2 den Strahlengang eines Interferometers, das zwei gegeneinander seitlich versetzte Bilder der Lichtquelle erzeugt und

F i g. 3 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines derartigen Interferometers.

In Fig. 1 erkennt man die Quelle 5, das Strahlenteiler-Interferometer D, bei dem es sich vorzugsweise um ein Sagnac-Interferometer handelt, die Bilder S\ und 52, das Objektiv O, die zueinander komplementären Referenzgitter (Interfcrogramme) 1 und 2, die jeweils mit einem Empfänger R\ und R₂ verbunden sind, und ein Anzeigegerät -4, das den Wert l\ — /2 der an /?i und /?2 auftretenden Stromdifferenz anzeigt.

Die Vorrichtung kann auch zum Studium und zur Analyse einer Strahlung verwendet werden, die nicht allzu schnell ist Man kann daher die beiden schon genannten komplementären Gitter verwenden, diese beiden Gitter abwechselnd verdunkeln und den durch die Gitter hindurch zu einem einzigen Empfänger gelangenden Lichtstrom aufnehmen. Die Erkennung des von dem Empfänger gelieferten Stromes erfolgt synchron zur Verdunkelungsfrequenz der Gitter.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, ein einzelnes Gitter und einen einzelnen Empfänger zu verwenden und eine Verschiebung des Gitters in der Gilterebene vorzunehmen.

Das Interferometer ist ein Strahlenteiler mit maximaler Lichtstärke, d. h. ein Interferometer mit zwei Wellen, die von einer Quelle zwei Bilder erzeugen, die gegeneinander seitlich versetzt sind. Das Sagaac-Interferometer (siehe F i g. 2) bietet im einzelnen die folgenden Vorteile:

Seine Lichtstärke ist erheblich größer als die eines Luftkeils und ist z. B. derjenigen von Michelson in kompensierter Form äquivalent jedoch in der Realisierung viel einfacher. Die Lichtstärke ist im wesentlichen unter einem Winkel von 90° optimal (F ig. 2).

Das Interferometer läßt sich einfach realisieren: Ein System aus Separator S, Kompensator C und zwei Planspiegeln m\, mi.

Es hat eine geringe Empfindlichkeit gegenüber Unregelmäßigkeiten und Schwingungen sowie verschiedenen Störungen: die beiden Bündel begegnen denselben optischen Teilen, so daß die Herstellungstoleranzen der optischen Teile nicht sehr kritisch sind. Außerdem braucht man keine sehr empfindlichen mechanischen Verbindungen vorzusehen, wie bei den komplexeren Aufbauten.

Es bietet die Möglichkeit, die Strahlenteilung einfach daduch zu verändern, daß man einen der Spiegel verschiebt, eventuell von O aus.

Weiterhin besteht die Möglichkeit, das Interferogramm in der Brennebene einer Linse zur Anzeige zu bringen, um es zu analysieren, zu koiTelieren und die Möglichkeiten der Fouriertransformation auszunutzen.

Die in Betracht kommenden Strahlenteiler und insbesondere das Interferometer von Sagnac bilden eine extrem einfache Möglichkeit, ein sehr lichtstarkes Interferogramm zu erzeugen. Die Auswertung und Untersuchung dieses Interferogramms bietet zahlreiche Möglichkeiten:

Man kann direkt eine Harmonischenanalyse mit einem mobiler. Gitter vornehmen (Betrieb als lntsrferenzspektrometer mit selektiver Modulation).

Man kann das Interferogramm mit Hilfe eines Schirmes variabler Transparenz modifizieren, der es insbesondere erlaubt, die erste oder n-te Ableitung des Spektrums zu erzeugen.

Man kann das gleiche Verfahren verwenden, um die Korrelation der Ableitung des Spektrums mit der Ableitung eines Referenzspektrums zu erhalten. Dies ist sicherer als eine Korrelation der Spektren selbst, wie sie bisher üblich ist.

Man kann das Interferogramm auf zwei feste und gegeneinander um eine Halbwelle (Halbperiode) verschobene Gitter projizieren, die vor zwei Emp-

fängern aufgestellt sind, welche die Stromdifferenz messen. Dieser Aufbau erlaubt die Untersuchung von sehr schnellen Emissions- oder Absorptionsänderungen.

Schließlich kann man die periodischen Gitter durch feste Interferogramme ersetzen, die es ermöglichen, die Korrelation einer schnellen variablen Emission als Funktion der Zeit mit einem Referenzspektrum oder mit seiner Ableitung zu korrelieren.

Fig.3 zeigt schematisch ein praktisch ausgeführtes Gerät zur Strahlungsanalyse. Auf einem Chassis 1 ist eine Blendenhalterung 2 montiert, durch die hindurch die von einer nicht dargestellten Quelle ausgesandte Strahlung gemäß Pfeil Fgeführt wird.

Die Blende ist ein rechtwinklig zur Achse des Strahlenbündels ausgerichteter Kondensor 3 nachgeordnet,

tionsplatte 5 (die Separationsplatte ist eine Glasplatte, deren eine Fläche mit einem Aluminiumfilm überzogen ist), ein Sagnac-Interferometer, das aus einem ersten festen Spiegel 6 und einem durch einen Motor 8 verschiebbaren zweiten Spiegel 7 besteht, ein Objektiv 9, ein Spiegel 10, der von einem piezoelektrischen Quarzgenerator 11 in Schwingung versetzt wird, weil man bei diesem Alisführungsbeispiel mit Modulation arbeitet, ein Interferogrammhalter 12 und ein Kondensor 13. Das den Kondensor verlassende Lichtbündel wird schließlich von mindestens einem nicht dargestellten Empfän- ger aufgefangen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

35

40

50 55 60 65

Claims (3)

1 2

Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Vorrich-Patentansprüche: tung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2.

Eine: bekannte Vorrichtung nach den Oberbegriffen

!.Vorrichtung zur Strahlungsanalyse durch Inter- der Patentansprüche 1 und 2 (DE-OS 20 61 381) weist ferenzspektrometrie, mit 5 eine Lichtquelle auf, die im Brennpunkt einer Linse an

geordnet ist und deren Licht in parallelen Strahlen auf

— einer Lichtquelle, ein Keäl-Interferometer oder auf zwei Keil-Interfero-

— einem Interferometer, meter gelenkt wird. Im Falle eines einzigen Keil-Interf e-

— einem Objektiv, rometers ist hinter diesem eine rotierende Scheibe an-

— einem einzigen Referenzgitter, dessen Strichab- to geordnet, die zwei zueinander komplementäre Refestände auf die zu untersuchende Strahlung ab- renzgiitter aufweist, die abwechselnd mit dem von dem gestimmt sind und das in seiner Gitterebene Keil-Interferometer erzeugten Interferogramm zur bewegbar ist, und Deckung gebracht werden. Im Falle zweier Keil-Inter-

— einem Lichtempfänger zum Umsetzen des das ferometer ist hinter jedem Interferometer ein festes Re-Referenzgitter passierenden Lichtflusses in is ferenzgitter angeordnet In jedem Fall wird das Licht, elektrische Signale, daß das bzw. die Referenzgitter passiert, über ein Objektiv einem Lichtempfänger zugeführt, der daraus

daduch gekennzeichnet, elektrische Signale erzeugt Bei der bekannten Vorrich

tung ist es erforderlich, daß die Lichtquelle sich genau

— daß das Interferometer (Di) derart ausgebildet 20 im Brennpunkt des Objektivs befindet Licht, das von ist daS es zwei gegeneinander versetzte Bilder einer anderen Stelle als dem Brennpunkt ausgeht, er- (S], Sj) der Lichtquelle (S) erzeugt, zeugt Strahlen, die nicht aus der vorgehenden Richtung

— daß hinter diesen Bildern (Si, Si) das Objektiv auf das Keil-Interferometer treffen und die das von die- (O) angeordnet ist, sem erzeugte Strichmuster stören. Wenn Licht einer

— daß die Gitterebene sich in der hinteren Fokal- 25 bestimmten Wellenlänge selektiv zu ermitteln ist, müsebene des Objektivs (O) befindet sen beide Referenzgitter Strichabstände haben, die un-

— daß das Interferometer ein verschiebbares EIe- ter Berücksichtigung der Eigenschaften der Keile dieser ment zum Verändern der Abstände der in der Wellenlänge entsprechen. Wenn eine andere Wellenlän-Gitterebene erzeugten Interferenzlinien ent- ge ermittelt werden soll, müssen die Referenzgitter hält . 30 (oder die Keile) ausgewechselt werden. Da das einfallende Licht ausschließlich aus dem Brennpunkt des Ob-

2. Vorrichtung zur Strahlungsanalyse durch Inter- jektivs kommen darf, kann nur eine sehr kleine Lichtferenzspekijometrie, rait quelle benutzt werden. Außerdem ist die Lichtausbeute

der Apparatur schlecht Wenn ein hohes Auflösungsver-

— einer Lichtquelle, 35 mögen gefordert wird, ist der Lichtfluß, der auf den

— einem Interferometer, Lichtempfänger trifft, gering. Dadurch ergibt sich ein

— einem Objektiv, schlechtes Signal/Rausch-Verhältnis.

— zwei zueinander komplementären in einer ge- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vormeinsamen Gitterebene angeordneten, festste- richtung nach dem Oberbegriff dps Patentanspruchs 1 henden Referenzgittern, deren Strichabstände 40 bzw. nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 2 daauf die zu untersuchende Strahlung abgestimmt hingehend weiterzubilden, daß die- Lichtausbeute versind, bessert und eine einfachere Abstimmung auf unter-

— je einem Lichtempfänger (Ri, Rj) zum Umset- schiedliche Wellenlängen möglich ist

zen des das zugeordnete Referenzgitter passie- Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß

renden Lichtflusses in elektrische Signale und 45 mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teil der An-

— einer Einrichtung zur Bildung der Differenz der Sprüche 1 und 2.

Signale der Lichtempfänger (R_u A₂), dadurch Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden in

gekennzeichnet, einer gemeinsamen Ebene zwei seitlich gegeneinander

— daß das Interferometer (Di) derart ausgebildet versetzte Bilder der Lichtquelle erzeugt und das Objekist, das es zwei gegeneinander versetzte Bilder so tiv erzeugt hieraus in seiner hinteren Fokalebene ein (Su £2) der Lichtquelle (S) erzeugt Muster aus Interferenzstreifen. Aus dem Licht der einzi-

— daß hinter dieses Bildern (Si, Si) das Objektiv gen Lichtquelle werden durch ein Verdoppelungssy- (O) angeordnet ist, stern zwei Bilder erzeugt Hinter diesen Bildern ist eine

— daß die Gitterebene sich in der hinteren Fokal- Konversionslinse angeordnet, in deren Fokalebene Inebene des Objektivs (O) befindet und 55 terferenzstreifen entstehen. Alle Streifen, die von unter-

— daß das Interferometer ein verschiebbares EIe- schiedlichen Punkten der Lichtquelle ausgehen, sind einment zum Verändern der Abstände der in der ander überlagert, so daß eine Kooperation zwischen Gitterebene erzeugten Interferenzlinien ent- den Punkten der Lichtquelle stattfindet Jeder dieser hält. Punkte erzeugt ein Referenzsystem. Wenn ein Punkt

60 sich seitlich verschiebt, bewegen sich seine Interferenz-

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch streifen nicht. Die beiden Bilder der Lichtquelle entstegekennzeichnet, daß das Interferometer ein Sagnac- hen vor dem Objektiv, während die Interferenzstreifen Interferometer ist. in der hinteren Fokalebene gebildet werden. In der Fokalebene ist auch das Referenzgitter angeordnet, so daß

65 das Interferenzmuster dem Strichmuster überlagert

wird. Nach Patentanspruch 1 wird ein einziges Referenzgitter benutzt, das hin- und herbewegt wird. Das Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung nach dem Licht fällt nach Modulation durch die Bewegung des