FI107358B - Fokusoiva interferometri - Google Patents

Description

107358

Fokusoiva interferometri Tämä keksintö koskee fokusoivaa interferometriä, joka käsittää valonlähteen, ensimmäisen peilin valonläh-5 teestä lähtevän valon kollimoimiseksi, toisen peilin ensimmäiseltä peililtä tulevan kollimoidun valon fokusoimi-seksi, säteenjakajan sijoitettuna toiselta peililtä tulevan valon fokusointipisteeseen tämän valon jakamiseksi heijastuneeksi osuudeksi ja läpäisseeksi osuudeksi, kol-10 mannen peilin säteenjakajasta heijastuneen valon kollimoimiseksi, neljännen peilin säteenjakajan läpäisseen valon kollimoimiseksi, viidennen peilin kolmannelta peililtä lähteneen valon palauttamiseksi kollimoituna tälle kolmannelle peilille ja siltä edelleen fokusoituna säteenjaka-15 jalle ja kuudennen peilin neljänneltä peililtä lähteneen valon palauttamiseksi kollimoituna tälle neljännelle peilille ja siltä edelleen fokusoituna säteenjakajalle, jolloin viides ja kuudes peili on sovitettu vastakkain heijastamaan vastakkaisiin suuntiin siten, että niiden opti-20 set akselit yhtyvät ja jolloin viidenneltä peililtä palau- tunut ja säteenjakajan läpi kulkenut valo ja kuudennelta peililtä palautunut ja säteenjakajasta heijastunut valo interferoivat keskenään.

Kun valon kulkureitit ylläkuvatun kaltaisessa in-25 terferometrissä ovat yhtä suuret, saavutetaan kaikkien valoon sisältyvien aallonpituuksien interferenssimaksimit. Kun näiden kulkureittien välille aikaansaadaan tasaisesti muuttuva matkaero, esimerkiksi liikuttamalla toista tai molempia valon kulkusuunnan kääntäviä peilejä, kyetään eri 30 aallonpituuksien interferenssien avulla tunnistamaan interf erometrin läpäisseen valon aallonpituudet.

Johdantokappaleessa kuvatun kaltaiseen tunnettuun interferometriin liittyy kuitenkin eräitä käytännön ongelmia. Ensinnäkin siinä olevat peilit erityisesti toinen 35 peili, joka fokusoi valon säteenjakajalle ja kolmas peili, « » 1073e}b 2 joka vastaanottaa valon säteenjakajalta, joudutaan kohd.i.si-tamaan erittäin tarkasti toistensa ja säteenjakajan suhteen, jotta fokusointipiste saadaan asettumaan samaan, säteenj aka j alla olevaan pisteeseen. Tyypillisesti näriä 5 peilit ovat off-axis -paraboloidipeilejä, jotka ovat lisäksi valmistuskustannuksiltaan suhteellisen kalliilla. Kohdistuksen aikaansaamisen lisäksi myös sen ylläpitäminen on ongelmallista, koska kaikkinaiset mekaaniset tärinät ; a häiriöt saattavat aikaansaada muutoksia näiden peilien 10 fokusointipisteen kohdistukseen. Toinen edellä mainittua ongelmaa vakavampi ongelma liittyy johdantokappaleesi ia nimillä viides ja kuudes peili nimettyihin peileihin, jotta matkaeron ja siten eri taajuuksilla olevien inter::»>-renssimaksimien synnyttämiseksi joudutaan laitteen käytön 15 aikana liikuttamaan. Tunnetussa interferometrissä kyseiset j peilit ovat tasopeilejä, jotka on sijoitettu selät vasta]:- j käin heijastamaan vastakkaisiin suuntiin. Teoriassa niiden : i « optiset akselit saadaan tällöin hyvinkin tarkasti yhtymään, mutta käytännössä vähäisetkin tärähdykset tai näiden 20 peilien liikutusmekanismin epätasainen toiminta saattavat i saada nämä peilit hivenen kallistumaan, jolloin niiijlen I heijastamiin säteisiin syntyy ns. kulmavirhe. Koska peili.t j 4 ovat vastakkain kiinni toisissaan, tällainen kulmavirhe s .

i i vaikuttaa vastakkaisiin suuntiin näiden vastakkain olevien j 25 peilien heijastamiin säteisiin, jolloin kulmavirheen va:.- j kutus kaksinkertaistuu. Täten kyseinen tunnettu interfe.ro- j metri on erittäin kriittinen kyseisten peilien liikutusko- j » , i kanismin suhteen. Yleensäkin interferometrit ovat erittä .nj herkkiä peilin liikkeen ja suuntauksen häiriöille. TyypL .- i ;· 30 lisesti interf erometreissä käytetäänkin ratkaisuja, joissa j - liikutettavalle peilille annetaan suuri massa ja se laaca-i roidaan ilmalaakerilla, jolloin sille kyetään antamaan] esimerkiksi solenoidin avulla halutun kaltainen mahdollL-j i i simman tasainen liike. Tällainen rakenne saattaa toifnlaj 35 optimaalisesti laboratorio-olosuhteissa, kun interferonia :-j i i j 107358 3 ri on huolellisesti kohdistettu, mutta vähäisetkin häiriöt kohdistuksessa tai ulkopuoliset vaikutukset erityisesti peilin liikkeen suunnassa saattavat sotkea laitteen toiminnan täysin.

5 Esillä olevan keksinnön tavoitteena onkin tuoda esiin fokusoiva interferometri, jossa yllä mainittuihin ongelmiin on aikaansaatu ratkaisut, joiden avulla interfe-rometristä saadaan huomattavasti aikaisempaa helpommin kohdistettava ja myös oleellisesti aikaisempaa epäherkempi 10 ulkopuolisille vaikutuksille. Tähän tavoitteeseen päästään keksinnön mukaisen interferometrin avulla, jolle on tunnusomaista, että toinen peili ja kolmas peili on yhdistetty yhdeksi yhtenäiseksi peilipinnaksi ja että viides ja kuudes peili muodostuvat kumpikin kolmesta toisiinsa näh-15 den kohtisuorassa olevasta tasopeilipinnasta, jotka on sovitettu heijastamaan peilipintojen normaalien leikkauspisteen suuntaan.

Keksinnön mukaista ratkaisua käytettäessä kyetään siis fokusoiva ja kollimoiva peili yhdistämään yhdeksi 20 peilipinnaksi, jolloin siis näiden peilien välinen keski- ' näinen asema on automaattisesti aina oikea. Toisekseen käytettäessä takaisin heijastavina peileinä tasopeilien sijasta kolmesta toisiinsa nähden kohtisuorasta tasopeilipinnasta muodostettuja ns. kuutionurkkia, saadaan nämä 25 peilit oleellisesti epäherkemmiksi kulmavirheiden suhteen. Tämä perustuu siihen, että kuutionurkat heijastavat siihen tulevan valon aina takaisin tulosuuntansa kanssa yhdensuuntaisessa suunnassa. Siten ainoastaan sellaiset kulma-virheet, jotka aikaansaavat kuutionurkkien kärkipisteiden 30 siirtymisen pois yhteiseltä optiselta akselilta, voivat aikaansaada kulmavirhettä. Koska kuutionurkat on keksinnön mukaisesti sijoitettu vastakkain, sijaitsevat kuutionurkkien kärjet -suhteellisen lähellä toisiaan, jolloin myös kyseisen kulmavirheen täytyy olla varsin suuri, jotta 35 laitteen toimintaan vaikuttavan suuruinen siirtymä alkupe- 4 107353 räiseltä optiselta akselilta voisi tapahtua.

Edullisesti toisen ja kolmannen peilin käsittämä peilipinta on pallopeilipinta. Täten siis sen lisäkts ., että aikaisemmin kahtena erillisenä off-axis -paraboloid!-5 peiliä toteutetut peilit on kyetty yhdistämään, päästään myös tilanteeseen, että nämä peilit voidaan toteuttaa pal-lopeilipintana, jonka valmistuskustannukset ovat merkittävästi alhaisemmat kuin off-axis -paraboloidipeilien.

Keksinnön mukaista interferometriä voidaan edelleen j

S

10 täydentää siten, että se lisäksi käsittää seitsemännen peilin säteenjakajalta tulevan interferoivan valon koll:.- moimiseksi ja että neljäs peili ja seitsemäs peili on yli- j ί distetty yhdeksi yhtenäiseksi peilipinnaksi. Täten s,jL:.s j voidaan hyödyntää edellä kuvatun kaltaista peilien yhdiis- j 15 tämismenettelyä myös neljänteen ja seitsemänteen peiliin, j i jolloin interferometrien eri peilien kohdistusongelmnt j edelleen vähenevät. Myös tämä toinen yhdistetty peili vo:.- j daan edullisimmin toteuttaa pallopeilipintana ja vieläpäj pallopeilipintana, joka on identtinen toisen ja kolmannen ! 2 0 peilin käsittävän pallopeilipinnan kanssa. Tällä tavo:.n j ! keksinnön mukaisen interferometrin valmistuskustannukä: .a j kyetään edelleen alentamaan. j t

Seuraavassa keksinnön mukaista fokusoivaa inter:e- · i rometriä kuvataan yksityiskohtaisemmin oheisen piirustit:- i * * 25 sen kuviossa esitetyn kaaviokuvan avulla. i

Piirustuksen kuviossa on kaaviollisesti esitetty! ) keksinnön mukaisen fokusoivan interferometrin periaatte^ j i linen rakenne. Se käsittää ensinnäkin valonlähteen il, j joka edullisimmin on infrapunaista valoa emittoiva valoi-i i •" 30 lähde. Tämän valonlähteen valo kollimoidaan off-axis -b i-j i raboloidipeilin 6 avulla fokusoivalle peilipinnalle B, i joka fokusoi sen säteenjakajalle 5. Tältä säteenjakajalpa; osa valosta heijastuu kollimoivalle peilipinnalle 9 ja o 3a: kulkee säteenjakajan 5 läpi kollimoivalle peilipinnalle] i 35 10. Fokusoiva peilipinta 8 ja kollimoiva peilipinta 9 mUa-j • * m i ! i t 5 107358 dostavat osan yhtenäisestä pallopeilipinnasta 1. Peilipinta 9 kollimoi valon suunnaten sen kuutionurkkaan 3, jonka optinen akseli on sovitettu yhdensuuntaiseksi peilipinnan 9 kollimoimien säteiden kanssa. Tämä kuutionurkka muodos-5 tuu kolmesta toisiinsa nähden kohtisuorassa olevasta taso-peilipinnasta, jotka on sovitettu heijastamaan peilipintojen normaalien leikkauspisteen suuntaan. Peili 3 on siis käytännössä kuutionurkan näköinen, kun sitä katsotaan kuution sisältä päin. Tämä kuutionurkka 3 palauttaa säteen 10 peilille 9, jolta se puolestaan fokusoituu säteenjakajalle 5 ja osittain sen läpi kollimoivalle peilipinnalle 11.

Fokusoivalta peilipinnalta 8 lähtenyt ja säteenja-kajan 5 läpi kulkeneen valon reitti puolestaan jatkuu kollimoivalle peilipinnallle 10, joka kollimoi kyseisen valon 15 kuutionurkalle 4, joka vastaa rakenteeltaan täysin kuu-tionurkkaa 3. Kuutionurkat 3 ja 4 on puolestaan sovitettu keskenään vastakkain siten, että ne heijastavat vastakkaisiin suuntiin ja että niiden optiset akselit yhtyvät. Käytännössä näiden kuutionurkkien kärkipisteet pyritään saa-20 maan mahdollisimman lähelle toisiaan, jotta näiden peilien kallistuminen mahdollisimman vähän vaikuttaisi niiden heijastamien valonsäteiden suuntaukseen. Jos päästäisiin siihen teoreettiseen tilanteeseen, että näiden kuutionurkkien . , 3 ja 4 kärkipisteet täysin yhtyisivät, ei kulmavirheen 25 syntyminen olisi lainkaan mahdollista. Käytännössä tämä ei ole kuitenkaan mahdollista, mutta järjestely on kuitenkin oleellisesti epäherkempi kulmavirheille kuin kahden vastakkain sijoitetun tasopeilin muodostama järjestely. Jos tasopeileille sallitaan vain joidenkin mikrometrien kal-s 30 listus, voidaan keksinnön mukaisessa järjestelyssä kuu- tionurkkia käytettäessä sallia jopa joidenkin satojen mikrometrien kallistus.. Tämän johdosta voi peilien liikutus-mekanismi olla aikaisemmin tunnettuun nähden merkittävästi yksinkertaisempi. Todettakoon, että keksinnön mukaisessa 35 tapauksessa samoinkuin tasopeiliäkin käytettäessä liike • 6 107$ 5ε peilien optiseen akseliin nähden kohtisuorassa suunnassa ei synnytä kulraavirhettä.

Säteen palautuessa kuutionurkalta 4 fokusoi pe:, li 10 sen takaisin säteenjakajalle 5, jolloin osa siitä he:.-5 jastuu samaan suuntaan peililtä 9 tulleen ja säteenjakajan 5 läpäisseen valon kanssa. Nämä kaksi valonsädettä inte::-feroivat nyt keskenään kaikilla taajuuksilla, jos valon kulkureitit säteenjakajalta 5 peilille 9 ja edelleen kuu-tionurkalle 3 ja toisaalta säteenj akaj alta 5 peilille; :.0 10 ja edelleen kuutionurkalle 4 ovat keskenään yhtä suuret. Kun näitä etäisyyksiä muutetaan, saadaan interferenssinpä] simit syntymään eri taajuuksilla. Kun etäisyyttä muutetaan tasaisella nopeudella, saadaan mainittu interferenssinpä]:- j simi siirtymään tasaisesti aallonpituudelta toiselle. .Jos j 15 etäisyyden muutosta kyetään samanaikaisesti seuraamaan, j i saadaan myös selville ne taajuudet, joilla interferenssij maksimi kulloinkin esiintyy. Käytännössä tähän päästäänj mittaamalla valon kulkureitit lasersäteen avulla, jöka j i johdetaan kulkemaan samaa reittiä interferoivan valonj 2 0 kanssa. Koska laservalo on hyvin monokromaattista, tie<]i<!- j tään sen interferenssimaksimikohdat tarkoin ja täten .jLn- j terferometriltä ulostulevasta valosta voidaan löytää n$ina i » i vastaavat kohdat tarkasti. !

Keksinnön mukaisessa interferometrissä on inter::»;- j • ♦ 25 roivaa valoa vielä käsitelty edelleen siten, että se on j johdettu kollimoivalle peilipinnalle 11, joka kollimoi j valon ja suuntaa sen tasopeilipinnalle 7, josta se johde- ] taan interferometrin ulkopuolelle johdettavaksi edelleen! tutkittavan näytteen läpi sopivalle ilmaisimelle. NäL:äj • 3 0 tavanomaisia rakenneosia ei tämän hakemuksen yhteydet; säj kuvata lähemmin. Keksinnön mukaisessa interferometri3säj peilipinta 10 ja peilipinta 11 on samoinkuin peilipinnat 8 ja 9 yhdistetty yhdeksi yhtenäiseksi peilipinnaksi 2, joka edullisimmin on pallopeilipinta. Tämän järjestelyn avuL .a 3 5 keksinnön mukaisesta spektrometristä saadaan erityin »n • i i » « i t i 4 4 i 7 107358 kompakti ja peilien 10 ja 11 kohdistus säteenjakajan 5 suhteen voidaan toteuttaa nyt yhtenä toimenpiteenä. Käytännössä syntyy edelleen se etu, että yhdistetyt peilipinnat 1 ja 2 voivat olla keskenään identtisiä pallopeilipin-5 toja, mikä edelleen alentaa keksinnön mukaisen interfero-metrin valmistuskustannuksia.

Yllä keksinnön mukaista fokusoivaa interferometriä on kuvattu vain yhden esimerkinomaisen suoritusmuodon avulla ja on ymmärrettävää, että siihen voidaan tehdä joi-10 takin muutoksia poikkeamatta kuitenkaan oheisten patenttivaatimusten määrittelemästä suojapiiristä. Nämä muutokset voivat koskea erityisesti valonlähdettä ja sen valon kol-limoivaa peiliä 6 samoinkuin interferoivan valon käsittelyyn käytetyn peilin 11 rakennetta ja sijoitusta samoin-15 kuin tältä peililtä 11 kollimoidun valon vastaanottavan peilin rakennetta ja sijoitusta.

• < * • · · «

Claims (6)

1. Fokusoiva interferometri, joka käsittää valor- ! lähteen (12), ensimmäisen peilin (6) valonlähteestä (i;) j 5 lähtevän valon kollimoimiseksi, toisen peilin (8) ensin- j mäiseltä peililtä (6) tulevan kollimoidun valon fokusoitu: -seksi, säteenjakajan (5) sijoitettuna toiselta peilillä (8) tulevan valon fokusointipisteeseen tämän valon jakand -seksi heijastuneeksi osuudeksi ja läpäisseeksi osuudeksid , 1 10 kolmannen peilin (9) säteenjakajasta (5) heijastuneen Ve -lon kollimoimiseksi, neljännen peilin (10) säteenjaka;e n (5) läpäisseen valon kollimoimiseksi, viidennen peilin 1) I kolmannelta peililtä lähteneen valon palauttamiseksi koi - j limoituna tälle kolmannelle peilille (9) ja siltä edelleen j 15 fokusoituna säteenjakajalle (5) ja kuudennen peilin ) | neljänneltä peililtä (10) lähteneen valon palauttamiset i j kollimoituna tälle neljännelle peilille (10) ja silj.t ä j edelleen fokusoituna säteenjakajalle (5), jolloin viicU s i i ja kuudes peili (3,4) on sovitettu vastakkain heijastamien ! i 20 vastakkaisiin suuntiin siten, että niiden optiset aksel:t j yhtyvät ja jolloin viidenneltä peililtä (3) palautunut ;a j säteenjakajan (5) läpi kulkenut valo ja kuudennelta pe:- j < liitä (4) palautunut ja säteenjakajasta (5) heijastunut · ! valo interf eroivat keskenään, tunnettu siitä, elf.1 ä j • » 25 toinen peili (8) ja kolmas peili (9) on yhdistetty yhdeksi i yhtenäiseksi peilipinnaksi (1) ja että viides ja kuudes ! peili (3,4) muodostuvat kumpikin kolmesta toisiinsa nähden I kohtisuorassa olevasta tasopeilipinnasta, jotka on soy:.- | tettu heijastamaan peilipintojen normaalien leikkauspaι- | 30 teen suuntaan. I

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen fokusoiva int^:·- : ferometri, tunnettu siitä, että toisen ja kolmän- j * l - nen peilin (8,9) käsittävä peilipinta on pallopeilipä:a I (l). !

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen fokusojlva · i • c i | 9 107558 interferometri, tunnettu siitä, että se lisäksi käsittää seitsemännen peilin (11) säteenjakajalta (5) tu-' levän interferoivan valon kollimoimiseksi ja että neljäs peili (10) ja seitsemäs peili (11) ja on yhdistetty yhdek-5 si yhtenäiseksi peilipinnaksi (2).

4. Patenttivaatimuksen 3 mukainen fokusoiva interferometri, tunnettu siitä, että neljännen ja seitsemännen peilin (10,11) käsittävä peilipinta on pallopei-lipinta (2).

5. Patenttivaatimuksen 4 mukainen fokusoiva inter ferometri, tunnettu siitä, että toisen ja kolmannen peilin käsittävä pallopeilipinta (1) ja neljännen ja seitsemännen peilin käsittävä pallopeilipinta (2) ovat keskenään identtiset. 15 i · i 9 <

10 I 107^58 i