DE2604471A1

DE2604471A1 - Interferenzspektrometer

Info

Publication number: DE2604471A1
Application number: DE19762604471
Authority: DE
Inventors: Gerard Fortinato; Andre Marechal; Marc Guy Yves Prof Menetrier
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1975-02-11
Filing date: 1976-02-05
Publication date: 1976-08-26
Also published as: DE2604471C2; FR2300998A2; FR2300998B2; US4320973A

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferenzspektrometer mit einem Doppelbrechungs-Strahlenteiler und einer die beiden Strahlenteile zusammenfassenden Optik zur Erzeugung von Interferenzstreifen.

Bei einer bekannten Vorrichtung (DT-OS 24 05.369.8), die durch die Erfindung weiterentwickelt wird, wird für die lichtstarke Interferenzspektrometrie ein mit Translation arbeitendes Verdoppelungsinterferometer verwandt, das mit einem in seiner Fokalebene Interferenzstreifen erzeugenden Objektiv kombiniert ist. Diese Vorrichtung erlaubt auch die Durchführung von Korrelationen oder Ableitungen von Spektren oder die Korrelation der Ableitungen. Eine Vorrichtung nach DT-OS 24 05 369 ist dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler ein Sagnac-Interferometer mit einem translatorisch verschiebbaren Spiegel ist.

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Bei einer solchen Vorrichtung erfolgt die Untersuchung der Interferenzstreifen,indem ein periodisches Gitter mit parallel zu den Interferenzstreifen verlaufenden Linien und der Teilung ρ in die Ebene der Interferenzstreifen gebracht wird. Dieses Gitter kann periodisch mit der Frequenz f rechtwinklig zur Richtung der Interferenzstreifen vibrieren. Wenn die Teilung ρ gleich dem

i F
Streifenabstand i = ist, wird der von dem Gitter ausgehende Lichtfluß mit der Frequenz f moduliert, und zwar nur für die Wellenlänge A- , für die gilt: ^-= = p. Die Spektralanalyse einer Quelle oder die Änderung der Absorption eines Körpers als Funktion der Wellenlänge erhält man, indem man nacheinander die den verschiedenen in der Quelle enthaltenen Wellenlängen entsprechenden Interferenzstreifenabstände gleich der Teilung ρ des Gitters macht. Dies kann dadurch erfolgen, daß man insbesondere die Strahlenteilung T des Interferometers verändert (transversale Translation), oder daß man durch Verwendung eines Zoom die Brennweite F des Objektivs ändert.

Die Helligkeitsänderungen in der Brennebene repräsentieren bei dieser Vorrichtung die Fourier-Transformierte der Spektralverteilung der Quelle. Nun ist es bekannt, daß es zur Erzeugung der Korrelationsfunktion der beiden Spektren ausreicht, das Produkt ihrer Fourier-Transformierten zu bilden. Dieses Produkt erhält man auf ganz einfache Art mit der Vorrichtung der DT-OS 24 05 369, indem man das periodische Gitter mit der Teilung ρ durch ein Gitter ersetzt, das die Fourier-Transformierte des Spektrums der untersuchten Substanz darstellt. Die bekannte Vorrichtung gestattet auch eine Empfindlichkextserhöhung

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des Detektionsverfahrens durch Korrelation, indem nicht nur die Korrelation der Spektren durchgeführt wird, sondern auch die Korrelation der Ableitungen der Spektren. Auf diese Weise ermöglicht die bekannte Vorrichtung eine sehr zuverlässige Technik, insbesondere wenn es sich bei dem charakteristischen Spektrum des Stoffes um ein Spektrum Von Emissions- oder Absorptionsbändern handelt. Für den Übergang von der Korrelation der Spektren zur Korrelation der Ableitungen genügt es, in der Gitterebene eine parabolische Transmissionsmaske anzuordnen.

Als Strahlenteilerinterferometer wird bei der Vorrichtung nach DT-OS 24 05 369 vorzugsweise ein Sagnac-Interferometer verwandt, das im Bereich des sichtbaren Lichtes veränderbare Auflösungen bis hin zu etwa 5.000 ermöglicht.

Die Arbeiten der Erfinder haben bestätigt, daß man für zahlreiche Analyseanwendungen, insbesondere auf industriellem Gebiet (Fluoreszenz der Bestandteile, Absorption, atomische Absorption) lediglich geringe Auflösungen in der Größenordnung von einigen Hunderterstellen benötigt. Der erhöhte Preis und die relative Kompliziertheit der spektrometrischen Vorrichtung nach DT-OS 24 05 369 rechtfertigen nicht die Anwendung dieser Vorrichtung für industrielle Untersüchungsarbeiten,für die eine geringe Auflösung bei weitem ausreicht.

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtungen der Art,wie sie in der DT-OS 24 05 .369 beschrieben sind, jedoch speziell für geringe Auflösungen. In der genannten Vorrichtung ist die Auflösung R = -A— ( Δ Λ ist das aufge-

2 ft τ löste Spektralintervall) gleich R = —-i—. Die Weiter-

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entwicklung nach der vorliegenden Erfindung beruht auf der Feststellung, daß man unter Beibehaltung eines großen Wertes für den Winkelndes Interferenz feldes, d.h. unter Beibehaltung der Lichtstärke, die für derartige Vorrichtungen unerläßlich ist, für Arbeiten mit derartig geringen Auflösungen, die Teilung oder Verdopplung T verringern kann. Wenn man nur schwache Teilungen benötigt, kann man Interferometer verwenden, die gegenüber dem Sagnac-Ferometer einfacher und kompakter sind, insbesondere Polarisationsinter ferometer .

Auf der Suche nach einem Interferometer, das im Ultraviolettbereich und im nahen Infrarotbereich transparent ist, hat man zunächst an Quarzbestandtexlen, uniaxialen

a —2 Kristallen mit der Doppelbrechung Δ η = 10 festgehalten, jedoch erlaubt die schwache Doppelbrechung von Quarz nicht die Verwendung eines Savart-Polarisationsinterferometers bei der Verfolgung des durch die Erfindung angestrebten Ziels: ein Savart-Interferometer müßte eine Dicke von 30 cm haben um eine Auflösung von 500 zu erzielen.

Bei seinen Untersuchungen hat Prat ein Savart-Interferometer mit Spatanteilen verwandt. Ein derartiges Interferenz spektrometer ist sehr teuer und entspricht auch in anderer Hinsicht nicht den Zielen der vorliegenden Erfindung .

Die Arbeiten, die schließlich zur Erfindung geführt haben, haben gezeigt, daß das angestrebte Ziel erreicht werden kann, indem man als Bauteil zur Strahlungsteilung durch Doppelbrechung ein oder mehrere Wollaston-Prismen aus Materialien verwendet, die sich für dieKonstruktion der-

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artiger Prismen eignen und die als Funktion ihrer Doppelbrechungseigenschaften und ihrer Transparenz in einem großen Wellenbereich ausgewählt werden, beispielsweise Quarz, Spat, Natriumnitrat, Quecksilberchlorid und andere.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, daß der Strahlenteiler aus mindestens einem Wollaston-Prisma oder einem modifizierten Wollaston-Prisma besteht, das entlang der Achse des optischen Systems angeordnet ist.

Nach einem anderen Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß der Strahlenteiler aus zwei Wollaston-Prismen besteht, die in gegenseitigem Abstand d entlang der Strahlenachse derart angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Kontaktflächen entgegengesetzt zueinander zur Achse des Systems geneigt sind, und daß ihre Achsen so angeordnet sind, daß die optische Mittelachse des Ausgangsprismas des ersten Wollastons rechtwinklig zur optischen Mittelachse des Eingangs des zweiten Wollastons verläuft.

Ein anderes Merkmal der Erfindung sieht vor, daß der Strahlenteiler aus zwei gleichen Wollaston-Prismen besteht, die derart angeordnet sind, daß das Ausgangsprisma des ersten Wollastons und das Eingangsprisma des zweiten Wollastons parallel liegen, und daß ihre diagonal verlaufenden Kontaktflächen parallelliegen, und daß eines der Prismen zur Veränderung der Verläufe der Teilstrahlen entlang der Achse des Systems verschiebbar ist, so daß die Funktions-Wellenlänge des Gerätes variiert.

Es wurde festgestellt, daß bei Vorhandensein des oder der

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Wollanston-Prismen zwischen einem Polarisator und einem Analysator folgendes zu beobachten ist:

Mit einem Wollaston-Prisma erhält man geradlinige Interferenzstreifen, die, wie bekannt, in einer Ebene im Inneren des Wollaston-Prismas verlaufen, welche unter einem bestimmten Winkel zur Achse des Systems schräggestellt ist. Mach der Erfindung kann man das Bild dieser Interferenzstreifen unter Zuhilfenahme eines Objektivs mit variabler Brennweite von neuem auf einem Gitter abbilden. Ein derartiger Aufbau hat jedoch zwei Nachteile:einerseits die Schrägstellung der Streifenebene und andererseits bedingt die Tatsache, daß die Interferenzstreifen in endlichem Abstand liegen, daß der Winkel H

1 ' unter dem man die Quelle sieht, unter

V ^R bleibt.

Mit zwei Wollaston-Prismen von unterschiedlicher Dicke oder einem modifizierten Wollaston-Prisma kann man die Abbildungsebene reell und rechtwinklig zur optischen Achse des Systems machen. Bei diesem Aufbau ist der Winkel ^f noch auf

Ψ - —T=TfT begrenzt. Für geringe Auflösungen und für die Probleme der Korrelation von Spektren oder der Korrelation von Ableitungen von Spektren ist es aufgrund dieser beiden Prismen jedoch möglich, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung auf das Objektiv zu verzichten.

Mit zwei Wollaston-Prismen gleicher Abmessungen

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erhalt man ein unendliches Interferenzstreifensystem . mit großer Lichtstärke. Die veränderbare Strahlenteilung ist durch Längsverschiebung eines der beiden Prismen möglich. Die beiden auf diese Weise in einer Vorrichtung nach DT-OS 24 05 einander zugeordneten Wollaston-Prismen bewirken eine erhebliche Verbilligung und eine Herabsetzung des Platzbedarfs der Vorrichtung, die viel kompakter gehalten werden kann. Die genannte Vorrichtung bewirkt einerseits eine Verdopplung oder Strahlenteilung T = 24n ( + d), wobei Δ η der Wert der Doppelbrechung der Prismenbestandteile und η ihr normaler Brechungsindex ist (unter der Voraussetzung, daß die Prismenwinkel 45° betragen), und andererseits eine vollständig gleiche Aufteilung der Flüsse der beiden interferierenden Strahlenbündel, und dies (im Falle von Quarz) • über einen sehr ausgedehnten Wellenlängenbereich von ca. 0,2 μ bis 4 μ. Für Quarz (Doppelbrechung = 10~², n_Q = 1,54) erhält man für e = 40 mm und

d = 40 mm, T = 1,32 mm einen Feldwinkel von

— 1 2 *Υ Τ 10 rad und eine Auflösung von R = -+■ = 530.

(J. = 0,5 μ).

Man kann daher für geringe Auflösungen vorteilhafterweise das Sagnac-Interferometer nach der DT-OS 24 05 durch eine Vorrichtung mit zwei Wollaston-Interferometern ersetzen, während der Aufbau im übrigen unverändert bleibt, Die Modulation erhält man·, indem man den Analysator oder den Polarisator mit im wesentlichen konstanter Geschwindigkeit dreht. Diese Drehung führt dazu, daß alternativ

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auf dem festen Gitter ein System von Interferenzstreifen gebildet wird, wenn der Analysator A und der Polarisator P parallel sind, oder ein Komplementärsystern, wenn A und P rechtwinklig zueinander stehen. Das Ergebnis ist ein Aufbau, der insbesondere einfach ist.

Die DT-OS 24 05 369 befaßt sich ferner mit dem Studium schnell ablaufender Vorgänge,für die sie vorsieht, die Interferenzen auf zwei komplementären Gittern zu bilden, hinter denen Fotovervielfacher angeordnet sind, deren Stromdifferenz ermittelt wird. Die Erfindung gestattet ebenfalls die Untersuchung schnell ablaufender Vorgänge, indem sie vorsieht, daß auf einem gleichen Gitter, hinter dem ein einziger Fotovervielfacher angeordnet ist, alternativ zwei komplementäre InterferenzStreifensysteme einer hohen Frequenz abgebildet werden, die den Megahertzbereich langsam durchläuft. Zu diesem Zweck kann man zwischem dem Polarisator (erstes Prisma) und dem Analysator (zweites Prisma) eine Pockels-Zelle anordnen. Komplementäre Untersuchungen haben gezeigt, daß das Interferogramm in zahlreichen Fällen, insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichtes und im UV-Bereich, wenn es sich um die Absorption von Gas handelt, einen Mittelbereich mit einer Zehnerzahl von Interferenzstreifen enthält und einen auf die Nähe einer charakteristischen Gangdifferenz des Gases zentrierten Bereich, der ebenfalls eine Zehnerzahl von Interferenzstreifen enthält.

Dies führt zu einem optischen Korrelator mit Strahlenteiler- Interferometer unter Beibehaltung der großen Lichtstärke des Spektrometers nach DT-OS 24 05 369, wobei jedoch nur einige Interferenzstreifen in der Nähe des charakteristischen Gangunterschiedes der untersuchten Substanz erzeugt werden.

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Im folgenden werden einige Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert.

Fig. 1 zeigt die Wirkung eines einzigen Wollaston-Prismas.

Fig. 2 zeigt einen Strahlenteiler nach der Erfindung mit zwei unterschiedlichen Wollaston-Prismen.

Fig. 3 zeigt einen Strahlenteiler nach der Erfindung mit zwei Wollaston-Prismen gleicher Abmessungen.

Fig. 4 zeigt ein erfindungsgemäßes System zur Untersuchung schnellablaufender Phänomene, und

Fig. 5, 6 und 7 zeigen verschiedene Anordnungen, in denen man nur einige Interferenzstreifen in der Nähe der charakteristischen Gangdifferenz der betrachteten Substanz speichert.

Nach Fig. 1 trifft ein Lichtstrahl S auf das Wollaston-Prisma 1, dessen Prismenwinkel θ beträgt, und liefert geradlinige Interferenzstreifen 2, in der unter dem Winkel ß zur optischen Achse des Einfallsstrahles S geneigten Ebene7T". Das Bild der Interferenzstreifen 2 wird auf dem Gitter 7 der Einrichtung durch ein optisches System 6 mit variablem Fokus abgebildet.

Gemäß Fig. 2 trifft der Strahl S hintereinander auf zwei Wollaston-Prismen 1 und 3 mit unterschiedlichen Abmessungen. Die Ebene 4, in der die Interferenzstreifen 5 erzeugt werden, verläuft rechtwinklig zur optischen Achse des Systems und die Interferenzstreifen kann man unmittel-

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bar mit (nicht dargestellten) Lichtempfängern aufnehmen, unter Fortlassung des Objektivs der DT-PS 2 405 369.

Die beiden Prismen nach Fig. 3 erzeugen die Interferenzstreifen auf dem nicht dargestellten festen Gitter und ihre Wirkungsweise ist dieselbe wie in der DT-OS 2 405

In Fig. 4 erkennt man die Quelle S, den Polarisator P, die Pockels-Zelle 8, das erste Wollaston-Prisma 9, das zweite Prisma 10, den Analysator 8, das Objektiv 11, das einzige Gitter 12 und den einzigen Fotoempfänger 13. Diese Elemente liegen in der angegebenen Reihenfolge im Strahlengang hintereinander. Bei diesem Aufbau wird durch die veränderbare Doppelbrechung der Pockels-Zelle die Richtung des Polarisators umgeschaltet.

Man erkennt, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung es ermöglicht, wahlweise Interferenzstreifen zu liefern, die im Falle großer Auflösungen vorzugsweise im Unendlichen liegen, oder Interferenzstreifen in endlicher Entfernung für weniger große Auflösungen.

In Fig. 5 erkennt man die Quelle S, den Polarisator P, eine doppelbrechende Lamelle 14, zwei gleiche Wollaston-Prismen, deren Prismenwinkel so berechnet ist, daß man die benötigte Anzahl an Interferenzstreifen enthält, einen Analysator A und ein Objektiv 17 sowie ein festes Gitter 18 und einen einzigen Fotovervielfacher 19.

Unter Berücksichtigung der geringen Anzahl der benötigten Interferenzstreifen eignen sich auch andere Aufbauten, wie sie in Fig. 6 abgebildet sind. Dieser Aufbau enthält

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einen Polarisator P, einen doppelbrechenden Keil 20 und einen Analysator A, der einem einzelnen Wollaston-Prisma mit sehr kleinem Prismenwinkel θ entspricht.

Unter Berücksichtigung der geringen Stärke des Wollaston-Prismas 21 bilden sich die Interferenzstreifen gewissermaßen auf der Ausgangsfläche des tJollaston-Prismas auf dem festen Gitter 22, und das Objektiv der Fig. 5 wird überflüssig. Hinter dem Gitter 22 ist ein einziger Fotovervielfacher 23 angeordnet. Mit diesem Aufbau kann man einen Korrelator für mehrere Gase realisieren, die eine Absorption in demselben Spektralbereich aufweisen. Für die Untersuchung der verschiedenen Gase genügt es, die Dicke des Keiles zu verändern.

In Fig. 7 ist eine noch einfachere Ausführungsform der Erfindung abgebildet. Sie braucht lediglich eine einzige doppelbrechende Lamelle 24 zu enthalten, vor der ein Polarisator P und hinter der ein Analysator A angeordnet ist. Die Lamelle ist beispielsweise parallel zur Achse eingeschnitten und ihre Dicke ist so bemessen, daß man im Brennpunkt des Objektivs 25 eine Interferenzfolge erhält, die einer maximalen Ausleuchtung der Interferenzerscheinung in Anwesenheit des untersuchten Stoffes entspricht. Im Brennpunkt des Objektivs 25 wird eine Blende 26 angeordnet. Auf diese Weise erhält man ein Gerät, das in Verbindung mit einem Satz von Lamellen verschiedener Stärken auf unterschiedliche Gase abgestimmt werden kann. Bei den Ausführungsformen der Fig. 5, 6 und 7 erfolgt die Modulation des Lichtflusses mit Hilfe einer Einrichtung, mit der der Polarisator bzw. der Analysator derart gedreht werden können, daß sie entweder auf dem festen Gitter ein

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System aus bestimmten Interferenzlinien bzw. das Komplementärsystem bilden, wenn der Polarisator und der Analysator parallel oder rechtwinklig zueinander stehen.

Die oben beschriebene Technik kann für die Analyse durch Korrelation aller Substanzen mit periodischen Absorptionsbändern angewandt werden. Sie kann sogar bis in den Infrarotbereich hinein durchgeführt werden, um die Vibrations- und Rotationsbänder der Moleküle mit auszunutzen.

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Claims

Ansprüche

1.J Interferenzspektrometer mit einem Doppelbrechungs-Strahlenteiler und einer die beiden Strahlenteile zusammenfassende Optik zur Erzeugung von Interferenzstreifen, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahlenteilerelement mindestens ein Doppelbrechungs-Prisma (1, 3, 6, 7, 9, 10, 15, 21, 24) auf der optischen Achse angeordnet ist und durch unterschiedliche Ausgangswinkel eine Strahlenverdopplung bewirkt, wie z.B. ein Wollaston-Prisma, daß das Material des Prismas unter Berücksichtigung der Doppelbrechungseigenschaften so gewählt ist, daß es für einen großen Bereich von Wellenlängen transparent ist, und daß der Strahlenteiler zur Erzielung einer Modulation des Lichtflusses zwischen einem Polarisator (P) und einem Analysator (A) variabler Orientierung angeordnet ist.

2. Interferenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler aus zwei Wollaston-Prismen ( 6, 7, 15, 16) besteht.

3. Interferenzspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler aus zwei Wollaston-Prismen (6, 7) besteht, die in gegenseitigem Abstand d entlang der Strahlenachse derart angeordnet sind, daß ihre jeweiligen Kontaktflächen entgegengesetzt zueinander zur Achse des Systems geneigt sind, und daß ihre Achsen so angeordnet sind, daß die optische Mittelachse des Ausgangsprismas des ersten Wollastons rechtwinklig zur optischen Mittelachse des Eingangs des zweiten Wollastons (7) verläuft.

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4. Interferenzspektrometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler aus zwei gleichen Wollaston-Prismen besteht, die derart angeordnet sind, daß das Ausgangsprisma des ersten Wollastons (15) und das Eingangsprisma des zweiten Wollastons (16) parallel liegen, und daß ihre diagonal verlaufenden Kontaktflächen parallelliegen, und daß eines der Prismen zur Veränderung der Verläufe der Teilstrahlen entlang der Achse des Systems verschiebbar ist, so daß die Funktions-Wellenlänge des Gerätes variiert.

5. Interferenzspektrometer nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß für geringe Auflösungen ausgehend von der Quelle ein Polarisator (P), zwei Wollaston-Prismen, ein Analysator (A), ein festes Gitter und ein fotoelektrischer Aufnehmer (13, 19, 23, 27) angeordnet sind,

■ daß eine Einrichtung zur Drehung des Polarisators (P) bzw. des Analysators (A) vorgesehen ist, so daß alternativ auf dem Gitter ein System vorgegebener Interferenzlinien oder dessen Komplementärbild erzeugt werden, wenn der Polarisator und der Analysator parallel oder rechtwinklig zueinander stehen.

6. Interferenzspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Wollaston-Prismen durch ein modifiziertes Wollaston-Prisma ersetzt sind.

7. Interferenzspektrometer nach einem der Ansprüche 1,3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,

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daß. für Untersuchungen schneller Abläufe hinter der
Quelle (S) ein Polarisator (P), eine Pockels-Zelle (8), zwei Wollaston-Prismen (9,10), ein Analysator (A),
ein festes Gitter (12) und ein einziger Fotovervielfacher angeordnet sind.

8. Interferenzspektrometer nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zur Gewinnung einiger Interferenzstreifen in der Nähe des charakteristischen Gangunterschiedes des untersuchten Stoffes zwischen dem Polarisator (P) und den beiden Wollaston-Prismen eine doppelbrechende Lamelle (24) angeordnet
ist.

9. Interferenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Gewinnung einiger Interferenzstreifen in der Nähe der charakteristischen Gangdifferenz des untersuchten Stoffes, ausgehend

. von der Quelle (S) ein Polarisator (P), ein Keil (20), ein Analysator (A), ein Wollaston-Prisma (21),dicht
hinter dem Wollaston-Prisma ein festes Gitter (22) sowie ein fotoelektrischer Empfänger (23) und eine Einrichtung zum Drehen des Polarisators bzw. des Analysators zur alternativen Erzeugung eines Systems aus vorgegebenen Interferenzstreifen oder des Komplementärsystems auf dem festen Gitter bei parallel oder rechtwinklig zueinander stehendem Polarisator und Analysator vorgesehen sind.

10. Interferenzspektrometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß zur Gewinnung einiger Interferenzstreifen in der Nähe der charakteristi-

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sehen Gangdifferenz des untersuchten Stoffes ausgehend von der Quelle (S) ein Polarisator (P), eine doppelbrechende Lamelle (24), ein Analysator (A), ein Objektiv (25), eine Blende (26) sowie eine Einrichtung vorgesehen sind, die den Polarisator bzw. den Analysator derart dreht, daß alternativ auf dem festen Gitter ein System aus vorgegebenen Interferenzstreifen, oder das Komplementärsystem, erzeugt wird, wenn der Polarisator und der Analysator parallel oder rechtwinklig zueinander stehen.

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