DE2906015A1

DE2906015A1 - Interferometer

Info

Publication number: DE2906015A1
Application number: DE19792906015
Authority: DE
Inventors: Jan Dr Ing Jasny
Original assignee: Polska Akademia Nauk Instytut
Current assignee: Polska Akademia Nauk Instytut
Priority date: 1978-02-17
Filing date: 1979-02-16
Publication date: 1979-08-23
Also published as: SU1152533A3; FR2417788A1; JPS54133156A; FR2417788B1; GB2014754A; GB2014754B

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENTANWÄLTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · D! PL-IN G. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HO FFMANN . DIPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K.FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 8T · TELEFON (08?) 911087 · TELEX 05-29Ü9 (PATHE)

3·

31 742 v/er

Polska Äkademia Nauk, Instytut Chemii Fizycznej, Warschau (Polen)

Interferometer

Die Erfindung betrifft ein Interferometer, in welchem sich innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts der Unterschied der optischen Weglängen von zwei untereinander interferierenden, kohärenten Lichtbündeln gleichförmig verändert.

Bekannt sind Interferometer, bei welchen die Veränderung des Unterschieds der optischen Weglängen durch wiederholte zyklische Verstellung eines optischen Elements, z.B. eines Spiegels, oder durch Drehschwingung eines anderen optischen Elements, z.B. einer Planparallelplatte, erzielt wird.

309834/079?

- 4

Ein Nachteil dieser bekannten Interferometer besteht in der geringen Geschwindigkeit der Zunahme der optischen Wege, die sich daraus ergibt, daß der Weg nur eines der zwei kohärenten Lichtbündel verändert wird.

Darüber hinaus kann auf einem bestimmten Abschnitt das die Veränderung des Unterschieds der optischen Weglängen bewirkinde optische Element nicht ausreichend hochgefahren und nachher abgebremst werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Interferometer zu schaffen, bei dem die optischen Weglängen schnell und in einem weiten Bereich verändert werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Das Prisma der erfindungsgemäßen Anordnung kann durch hinreichend langes Hochfahren vor der Messung eine große Winkelgeschwindigkeit erreichen. Überdies bewirkt das rotierende Prisma gleichzeitig eine Verlängerung der Weglänge des einen und eine Verkürzung des anderen kohärenten Lichtbündels. Dadurch werden sehr große Veränderungen des Unterschieds der Weglängen von zwei kohärenten Lichtbündeln erzielt.

Das in Fouriersehen Spektrometern eingesetzte, erfindungsgemäße Interferometer bietet die Möglichkeit, die Fourierschen Spektren innerhalb der Zeit von einigen Mekrosekunden zu messen.

Wegen der Möglichkeit, große Veränderungen des Unterschieds der Weglängen von zwei kohärenten Lichtbündeln zu erzielen, kann die Modulationsperiode des Interferometers der Modulationsperiode des Laserspalts angepaßt werden. Dadurch kann ein pulsierendes Laserlicht mit Pikosekunden gleicher Pulsdauer erzeugt werden.

2306015

Alle unbeweglichen optischen Elemente des Interferometers können auf bekannte Weise in Metallfassungen befestigt werden, um die Konstruktion zu versteifen.

Ungünstig ist es, daß die in Fassungen befestigten optischen Elemente eine Justierung erfordern. Die damit verbundenen Einstellarbeiten müssen mehrmalig wiederholt werden, und zwar wegen der Temperatur- und Druckverformungen der Fassungen und des Interferometergehäuses,

Erfindungsgemäß sind alle unbeweglichen optischen Elemente des Interferometers mittels zusätzlicher, aus Glas gefertigter Distanzelemente durch Kleben verbunden. Die Verbindung erfolgt direkt oder über dünne Distanzschichten. Im Ergebnis wird ein optischer, während dessen Herstellung vollständig justierter Block ausgebildet. Er unterliegt keiner Fehljustierung und braucht während des Betriebs nicht nachjustiert werden.

Der Gegenstand der Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. In den zugehörigen Zeichnungen zeigt:

Fig. 1: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Interferometers mit rotierendem Prisma,

Fig. 2: ein herstellungstechnisch vorteilhaftes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Interferometers, und

Fig. 3s eine schematische Darstellung des Aufbaus eines Distanzelemente enthaltenden Interferometers .

909 834/07 87 ~⁶~

Das in Fig. 1 gezeigte Interferometer besteht aus einem Prisma P1, dessen Grundfläche ein Rhombus ist, aus zwei Spiegeln L1 und L2, sowie aus zwei Glasplatten P2 und P3 mit lichtteilenden Schichten, welche in der Zeichnung mit Strichlinien angedeutet sind. Das Prisma P1 ist in einer drehbaren Fassung eingesetzt, deren Drehachse O durch den Mittelpunkt der Prismagrundfläche und senkrecht zu dieser verläuft.

Das Interferometer wird von Lichtbündeln durchsetzt, die mittels deren Achsen dargestellt sind. Das in das Interferometer eintretende Lichtbündel 1 fällt auf die Glasplatte ' P2 und wird an dieser in zwei kohärente Lichtbündel 2 und 3 geteilt. Das Lichtbündel 2 wird von dem Spiegel L1 reflektiert, tritt in das Prisma P1 durch die Fläche a, wird im Inneneren des Prismas zweimal von den gegenüberliegenden Flächen d und b reflektiert, verläßt das Prisma durch die Fläche c, wird von dem Spiegel L2 reflektiert und fällt auf die Glasplatte P3.

Das Lichtbündel 3 wird zuerst von dem Spiegel L2 reflektiert, tritt in das Prisma P1 durch die Fläche d, wird von den Flächen a und c reflektiert, verläßt das Prisma durch die Fläche b, reflektiert von dem Spiegel Li, fällt auf die Glasplatte P3 und trifft, auf das Lichtbündel 2. Die kohärenten Lichtbündel 2 und 3 interferieren und verlassen das Interferometer in den Richtungen 4 und 5. Die Energie der Lichtbündel 4 und 5 hängt von dem Unterschied der optischen Weglängen der kohärenten Lichtbündel 2 und 3 ab, wobei die optische Weglänge jedes kohärenten Lichtbündels längs der gesamten Strecke zwischen den zwei lichtteilenden Schichten der Glasplatten P2 und P3 gemessen wird. Rotiert das Prisma P1 um seine Achse O, wird die Weglänge des einen kohärenten Lichtbündels verkürzt und die des anderen verlängert. Im Bereich der Stellung, in welcher das Prisma P1 in Fig. 1 dargestellt

909834/0797 - 7 -

ist, existiert ein geringes Intervall an Drehwinkeln des Prismas, innerhalb welchem ein gleichförmiges Drehen des Prismas eine gleichförmige Zunahme des Unterschieds der optischen Weglängen von zwei kohärenten Lichtbündeln bewirkt« Anschließend wird die Energie der Lichtbündel 4 und 5 sinusförmig moduliert, wobei die Modulationsperiode von der Drehgeschwindigkeit des Prismas und der Wellenlänge des Lichts abhängt» Vor der Messung der modulierten Energie kann das Prisma auf eine große Geschwindigkeit hochgefahren und die Messung innerhalb eines solchen Drehwinkelintervalls durchgeführt werden, in welchem die Zunahme der optischen Weglänge gleichförmig verläuft.

Bei einem Prisma, bei welchem die jeweils gegenüberliegenden Flächen parallel zueinander sind und das sechs mögliche Freiheitsgrade besitzt, bewirkt nur die Drehung um die zur Grundfläche senkrechte Achse eine Veränderung des Unterschieds der optischen Weglängen von kohärenten Lichtbündeln. Keine Längs- oder Drehbewegung bedingt Justierfehler des Interferometers. Diese Eigenschaften des Interferometers sind dann erreichbar0 wenn jedes kohärente Lichtbündel in das Prisma durch eine Fläche ein- und durch die dazu gegenüberliegende Fläche austritt und innerhalb des Prismas an zwei gegenüberliegenden Wänden reflektiert wird. Um bei einem bestimmten Drehsinn des Prismas die Weglänge des einen kohärenten Lichtbündels zu verkürzen und die des anderen zu verlängern, sollen diese derart durch das Prisma geführt werden, daß die Bahn des einen kohärenten Bündels eine geometrische Spiegelung der Bahn des anderen kohärenten Lichtbündels in bezug auf eine der Symmetrieebenen,, und zwar der zur Grundfläche des Prismas senkrechten Ebene, darstellt.

Fig. 2 stellt schematisch ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Interferometers dar, das aus drei gleichen Prismen PI, P2 und P3 mit rechteckigen Grundflächen

S0983A/0797 _ ₈ „

und aus zwei Spiegeln L1 und L2 besteht. Das Prisma P1 rotiert um eine zu ihrer Grundfläche senkrechte und durch deren Mittelpunkt 0 laufende Achse. Zwischen den Prismen P2 und P3 befindet sich eine lichtteilende Schicht W, z.B. ein dünner Luftspalt mit einer in bezug auf die Wellenlänge des Lichts kleineren Breite. Bei diesem Interferometer verläuft jedes kohärente Lichtbündel zweimal durch das rotierende Prisma P1, wodurch bei gegebener Drehgeschwindigkeit des Prismas die Zunahme des Unterschieds der optischen Weglängen zweimal größer ist als bei einem einmaligen Durchgang. Die Einfallswinkel i des Lichtbündels auf die Brechungsflächen der Prismen P1, P2_f P3 sind annähernd gleich und können auch dem sogenannten Brewsterschen Winkel entsprechen. In diesem Fall wird das angemessen polarisierte Licht von den Brechungsflächen nicht reflektiert, so daß das Interferometer ohne Lichtverluste und ohne das sogenannte optische Rauschen arbeitet. Das in das Prisma P2 eintretende Lichtbündel 6 fällt auf die lichtteilende Schicht W und wird in zwei kohärente Lichtbündel geteilt. Diese Lichtbündel treffen nach mehrmaliger Reflektion im Inneren der Prismen und nach mehrmaliger Brechung entsprechend auf die Spiegel L1 und L2, von welchen sie reflektiert werden und längs ihrer ursprünglichen Bahn in die Schicht W zurückkehren, in der die Interferenz der Lichtbündel stattfindet. Die zwei modulierten Lichtbündel treten anschließend aus dem Interferometer aus, und zwar das eine in Richtung des Eintrittsbündels 6, jedoch im Gegensinn,und das andere in der Richtung 7.

Um die aus unbeweglichen ,Elementen bestehende Struktur zu versteifen, wird einem Spiegel, z.B. L2, die Form eines Prismas mit einer mit einer Spiegelschicht bedeckten Oberfläche verliehen, wie sich aus Fig. 3 ergibt. Die beiden Elemente mit Spiegelflächen L1 und L2 sind direkt miteinander und mit dem Distanzelement D2 durch Kleben verbunden. Das Distanzelement D2 ist direkt mit dem Distanzelement D1 verbunden, das

909834/0797

nachfolgend,, über Distanzschichten W2-W2, mit dem unbeweglichen Prisma P3 verbunden ist. Das unbewegliche Prisma P3 ist im weiteren, über Distanzschichten WT-Wt mit dem unbeweglichen Prisma P2 verbunden.

Das Lichtbündel wird auf das unbewegliche Quarzprisma P2 gerichtet. Auf der zwischen den Prismen P2 und P3 enthaltenen Luftschicht wird das Lichtbündel in zwei kohärente Lichtbündel geteilt, von denen jedes anschließend im Inneren des Prismas P2 bzw. P3 unter dem Grenzwinkel der Totalreflektion reflektiert und schließlich in das rotierende Prisma P1 eintritt. Nach zweimaliger Reflektion im Innern des Prismals P1 fällt das jeweilige Lichtbündel auf die Spiegelfläche der optischen Elemente LT bzw. L2 und kehrt längs seines vorherigen Wegs in die Luftschicht zurück_r in der es mit dem anderen kohärenten Lichtbündel interferiert und das Interferometer wechselweise aus dem Prisma P2 oder P3 verläßt.

Die Distanzschichten WT-WT sind derart gewählt, daß die zwischen ihnen enthaltene Luftschicht das primäre Lichtbündel in zwei kohärente Lichtbündel mit gleicher Energie teilt. Die Distanzschichten W2-W2 enthalten eine dickere Luftschicht, so daß das auf die dieser Schicht anliegende Oberfläche einfallende Lichtbündel einer Totalreflektion im Inneren des Prismas P3 unterworfen werden.

Die Distanzelemente DT und D2 sind derart ausgebildet, daß die Luftschicht zwischen den Distanzschichten WT-WT in der Ebene liegt, welche durch die durch die Spiegelflächen der optischen Elemente LT und L2 gebildete Kante verläuft und mit diesen Flächen gleiche Winkel einschließt.

909834/0797

Claims

HOFFMANN · EITLIS & PARTNER

PATENTANWÄLTE

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-ING. W.EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMANN · Dl Pl.-I NG. V/. IEHN

DlPl.-ING. K. FOCHStE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (08?) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

31 742 v/er

Polska Äkaäemia Nauk, Instytut Chemii Fizycznej, Warschau (Polen)

Interferometer

Patentansprüche

/ 1.) Interferometer mit optischen Elementen, die ein Licht-"tmndel in zwei kohärente Lichtbündel teilen und diese zur Interferenz bringen, dadurch gekennzeichnet , daß ein mit konstanter Winkelgeschwindigkeit drehbares Prisma (P1) mit rhombischer oder rechteckiger Grundfläche und eine Anordnung von unbeweglichen optischen Elementen (P2, P3, L1, L2) vorgesehen sind, wobei die Anordnung der unbeweglichen optischen Elemente das Lichtbündel in zwei kohärente Lichtbündel teilt, diese aus verschiedenen Richtungen in das Prisma einleiten und nach ihrem Austreten aus dem Prisma wieder zusammenführen und zur Interferenz bringen und das Prisma derart gegenüber den unbeweglichen optischen Elementen angeordnet ist, daß bei einer gewissen Stellung des Prismas die optischen Weglängen der kohärenten Lichtbündel im Innern des Prismas gleich sind und ihre Bahnen geometrisch spiegelbildlich in bezug auf die durch die Grundfläche gelegte Symmetrieebene des Prismas verlaufen.
2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß als unbewegliche optische Elemente zwei Prismen mit rechteckigen Grundflächen und gleichen Abmessungen

900834/0797

·"* α "™

OMQtNAL INSPECTED

wie das rotierende Prisma (P1) und eine Anordnung von zwei Spiegeln (L1 und L2) vorgesehen sind.
3. Interferometer nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß alle unbeweglichen optischen Elemente (P2, P3, L1, L2) des Interferometers zu
einem optischen Block mittels zusätzlicher, aus Glas gefertigter Distanzelemente (D1, D2) durch Kleben verbunden sind, wobei die optisch nicht wirksamen Flächen unmittelbar miteinander verbunden sind, während die Flächen, durch welche das Lichtbündel durchtritt oder von Vielehen es reflektiert wird, über dünne Distanzschichten (WI^WI , W2-W2) verbunden sind.

909834/0797