SE503758C2 - Interferometer och Fouriertransformspektrometer - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 2 till varandra för att ett användbart interferensmönster skall erhållas.

I den klassiska Michelson-interferometern är strål- delaren så anordnad att infallsvinkeln för den infallande strålen är 45°. Vidare är den första och den andra spegeln vinkelräta mot varandra och infaller den första och den andra strålen i normalriktningen mot speglarna. Om exem- pelvis den ena spegelns läge förskjuts så att strålen inte infaller i normalriktningen ökar franstätheten i inter- ferensmönstret och vid större förskjutningar kan inte fransarna observeras pà grund av alltför hög täthet.

I Fouriertransformspektrometern måste den noggranna inställningen bibehállas under hela linjärförflyttningen av scanningspegeln, vilket ställer höga krav på monte- ringen och lagringen av denna.

För att minska kraven på den noggranna inställningen under förflyttningen är det känt att ersätta speglarna med retroreflektorer. Retroreflektorer är emellertid dyra och det är inte möjligt att kompensera eventuella vinkelfel som uppkommer vid tillverkning, temperaturändringar, åld- ring eller liknande.

Ett annat känt sätt att bibehålla en noggrann in- ställning av de optiska komponenterna är att använda fasta speglar för reflektering av de båda strålarna tillbaka mot stråldelaren och åstadkomma ändringen av väglängd för den ena strålen med hjälp av ett vridbart element, exempelvis en vridbar etalong. I EP O 491 435 visas en interferometer med två parallella motriktade speglar som vrids för att ändra väglängden till den ena fasta spegeln. Nackdelen med denna teknik är emellertid att strålarna rör sig över de fasta speglarnas yta, vilket ställer ytterst höga krav pà deras kvalitet. Dessutom blir den möjliga ändringen av väglängd liten.

I patentlitteraturen finns exempel på hur man har vidareutvecklat ovannämnda principer för att kunna öka väglängdsskillnaden mellan de båda strålarna. I EP 0 314 103 och US 5 066 990 består exempelvis det roterande 10 15 20 25 30 35 503 758 3 elementet av en dubbelpendel med en retroreflektor på vardera pendelarmen. Genom vridning av dubbelpendeln minskas väglängden för den ena strålen och ökas våglängden för den andra. Problemet med retroreflektorerna kvarstår dock.

I US elementet 5 159 405 och US 5 150 172 utgörs det roterande av två parallella speglar, mellan vilka de båda reflekteras ett flertal gånger. När de båda vrids förlängs våglängden för den ena strålen Problemet med att strå- strålarna speglarna och förkortas den för den andra. larna rör sig över speglarna kvarstår dock.

Ett ändamål med föreliggande uppfinning är att åstad- komma en interferometer, i vilken toleransen mot onog- grannhet vid de scannande optiska komponenternas rörelse är god, vilken kan göras kompakt och i vilken strålarna inte flyttar sig över de optiska komponenterna när skill- naden i våglängd mellan strålarna ändras.

Ett annat ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en Fouriertransformspektrometer, som kan göras kompakt. Ändamålet uppnås med en interferometer som har de i patentkravet 1 angivna särdragen, och en Fouriertransform- spektrometer som har de i patentkravet 7 angivna sär- dragen.

Interferometern enligt uppfinningen är alltså baserad på principen med linjär förflyttning av de reflekterande organ som reflekterar den första och den andra strålen tillbaka mot stráldelaren för ändring av väglängdsskill- naden. På detta sätt kommer de båda strålarna att under hela scanningen träffa samma plats på de reflekterande organen. Genom att båda de reflekterande organen linjär- förflyttas samtidigt blir förhållandet mellan å ena sidan ändringen av skillnaden i väglängd och å andra sidan för- flyttningen av respektive spegel 4:1, vilket betyder att en stor väglängdsskillnadsändring kan erhållas, men inter- ferometern ändå göras kompakt. Interferometern innehåller ett tredje och ett fjärde reflekterande organ i den första respektive den andra stràlens strålgång mellan stråldela- 503 758 10 15 20 25 30 35 4 ren och det första respektive det andra reflekterande organet. Det tredje och det fjärde reflekterande organet och stråldelaren är så placerade att de är inbördes vinkelräta. Interferometern har således en tredimensionell konfiguration. Det tredje och det fjärde reflekterande organet kompenserar för onoggrannheter i linjärförflytt- ningen av det första och det andra reflekterande organet, varvid det tredje reflekterande organet kompenserar för onoggrannheter i en riktning och det fjärde reflekterande organet kompenserar för onoggrannheter i en annan riktning vinkelrätt mot den första. Denna kompensation möjliggörs av att det första och det andra reflekterande organet är fast förbundna med varandra så att ofullkomligheter i linjärförflyttningen påverkar båda de reflekterande orga- nen lika. Slutligen skall påpekas att i interferometern enligt uppfinningen reflekteras strålarna endast ett litet antal gånger och är strålgången kort, vilket är en fördel.

Föreliggande uppfinning skall nu beskrivas närmare genom utföringsexempel under hänvisning till bifogade ritningar, på vilka fig 1, 2 och 3 är schematiska projektionsvyer i tre olika vinkelräta riktningar av en första utföringsform av interferometern enligt uppfinningen, fig 4 är en schematisk projektionsvy av en andra utföringsform av interferometern enligt föreliggande upp- finning, och fig 5 är en schematisk projektionsvy av en tredje utföringsform av interferometern enligt föreliggande upp- finning.

I fig 1, 2 och 3 visas tre vinkelräta projektioner av en första utföringsform av interferometern enligt före- liggande uppfinning. Interferometern innefattar en strål- delare BS och en första, en andra, en tredje och en fjärde plan spegel M1, M2, M3 respektive M4. Den första och den andra spegeln M1 och M2 är parallella och motriktade. De utgör interferometerns scanningspeglar och är för detta ändamål anordnade på en ej visad kullagrad slid som kan 10 15 20 25 30 35 503 758 5 linjärförflyttas. Sásom framgår nedan kan viss avvikelse från en helt linjär förflyttning tolereras. Den tredje och den fjärde spegeln M3 och M4 utgör interferometerns kompensationsspeglar. Den tredje spegeln M3 är anordnad i stràlgàngen mellan stråldelaren BS och den första spegeln M1 och den fjärde spegeln M4 är på motsvarande sätt anordnad i strålgàngen mellan stråldelaren BS och den andra spegeln M2. Den tredje spegeln M3, den fjärde spegeln M4 och stråldelaren BS är inbördes vinkelräta.

Det skall påpekas att i samtliga figurer är pilar inlagda i speglarna för att spegelbilderna enklare skall kunna jämföras.

Funktionen är den följande. En stråle Bin från en ej visad ljuskälla infaller mot stråldelaren BS som på känt sätt reflekterar en del av den infallande strálen och transmitterar en del av denna. Stràldelaren åstadkommer således en första stråle B1 och en andra stråle B2 från Den första strálen träffar den tredje spegeln M3, reflekteras av denna mot den första den infallande strálen. spegeln M1 och därifrån tillbaka via spegeln M3 till stråldelaren BS. Den andra strálen B2 träffar den fjärde spegeln M4, reflekteras till den andra spegeln M2 och tillbaka via den fjärde spegeln M4 till stråldelaren BS, där den åter kombineras med den första strálen Bl till en utgående stråle But.

I fig 1 och 3 visas med streckade linjer att strål- delaren BS överlagrar bilden av den första spegeln M1 på bilden av den andra spegeln M2 speglad i den fjärde spegeln M4, varvid Ml'BS betecknar bilden av den första spegeln Ml speglad i stråldelaren BS och på motsvarande Sätt M2 'M4 den fjärde Om nu betecknar bilden av den andra spegeln speglad i spegeln M4. sliden, på vilken den första och den andra spegeln M1 och M2 är monterade, är något onoggrant in- ställd eller dess läge ändras vid linjärförflyttningen så att den första och den andra strálen Bl och B2 inte in- faller i normalriktningen mot dessa båda speglar kommer 503 758 10 15 20 25 30 35 6 den fjärde spegeln M4 att kompensera för förskjutningar i Y-Z-planet och den tredje spegeln M3 att kompensera för förskjutningar i X-Y-planet. Antag exempelvis att sliden förskjuts så att den första spegeln M1 förskjuts i Z-Y- planet i pilens riktning i fig 1, då förskjuts den andra spegeln M2 också i Z-Y-planet i den riktning som pilen i BS och M2'M4 förskjuts då båda i den riktning som pilen i spegelbilderna visar, så De båda strålarna Bl och B2 kommer alltså att sammanfalla när de åter kombineras av stràldelaren BS trots vinkelfelet.

Om den första och den andra spegeln M1, M2 förskjuts den visar. Spegelbilderna M1' att de fortfarande sammanfaller. i X-Y-planet kompenserar på motsvarande sätt den tredje M3 och spegeln för förskjutningen så att spegelbilderna M1' M2'BS sammanfaller och den första och den andra stràlen Bl och B2 blir parallella när de lämnar stràldelaren BS.

Det finns flera konfigurationer som uppfyller villko- ren att stràldelaren BS, den tredje spegeln M3 och den fjärde spegeln M4 är inbördes vinkelräta samt att den första spegeln Ml och den andra spegeln M2 är parallella och motriktade. Nedan ges tvà exempel.

Exempel l Nedan _ anger n normalriktningen för respektive komponent. mas = (o, 1, o) 1 m1 = _ (1, 1, -1) 1/3 1 ñmz = - (-1, -1, 1) Ja ms = (-1, o, o) m4 = (o, o, -1) 10 15 20 25 30 35 503 758 1 Den infallande stràlen Bin går in längs J- (1, 1, 3 1). 1 Den utgående stràlen But går ut längs J- (1, -1, 3 1).

Infallsvinklarna mot stràldelaren BS, den första och den tredje spegeln M1, M3 ~ 55° och mot den andra och den fjärde spegeln M2, M4 = 90°.

Stràlarna går parallellt med rymddiagonalerna pà en kub.

Exempel 2 ñBS = (0, 1, O) 1 ñM1 = - (1, 2, -1) 3/6 1 ñM2 = - (-1, -2, 1) Je ñM3 = (-1, 0, 0) ñM4 = (O, O, -1) 1 Den infallande stràlen Bin går in längs - (1, -2, 1).

Je 1 Den utgående stràlen But gár ut längs - (-1, -2, -1). 6 503 758 10 15 20 25 30 35 8 Infallsvinklarna mot stráldelaren BS ~ 35°, mot den första och den tredje spegeln M1, M3 ~ 66° och mot den andra och den fjärde spegeln M2, M4 = 90°.

I fig 4 visas en andra utföringsform av interfero- metern enligt uppfinningen. I denna utföringsform åter- finns stràldelaren BS och den första till den fjärde spegeln M1-M4 från den första utföringsformen. Den andra utföringsformen innefattar dessutom en femte och en sjätte spegel M5 och M6, som är parallella med stràldelaren BS och placerade i den första strálens Bl stràlgàng mellan stràldelaren BS och den tredje spegeln M3 respektive i den andra strálens B2 stràlgàng mellan stråldelaren BS och den fjärde spegeln M4.

I denna utföringsform ligger scanningspeglarna M1 och M2 något närmare varandra än i den första utföringsformen, varför interferometern kan göras kompaktare. Dock krävs det ytterligare två speglar i förhållande till den första utföringsformen.

I fig 5 visas en tredje utföringsform, vilken inne- fattar samma komponenter som den andra utföringsformen, men i vilken den femte och den sjätte spegeln är anordnade mellan den första och den tredje spegeln M1, M3 respektive mellan den andra och den fjärde spegeln M2, M4.

Funktionen hos den andra och den tredje utförings- formen är densamma som den hos den första utföringsformen.

Interferometern enligt uppfinningen kan med fördel användas i en Fouriertransformspektrometer, som kan göras kompakt och billig.

Ovan beskrivna utföringsformer av uppfinningen är exempel och uppfinningen kan modifieras inom ramen för de efterföljande patentkraven. De plana scanningspeglarna M1, M2 kan exempelvis bytas ut mot andra reflekterande organ, såsom retroreflektorer.

Claims (7)

10 15 20 25 30 35 505 758 PATENTKRAV

1. l. Interferometer innefattande en stråldelare, som är anordnad att åstadkomma en första och en andra strále (Bl, B2) från en infallande stràle (Bin); ett första och ett andra reflekterande organ (M1, M2), som är anordnade att motta den första respektive den andra stràlen och reflek- tera dem tillbaka mot stràldelaren, varvid det första och det andra reflekterande organet (M1, M2) är fast förbundna med varandra och anordnade för väsentligen linjär för- flyttning för ändring av skillnaden i väglängd mellan den första och den andra stràlen; ett tredje reflekterande den första strålens (Bl) (BS) och det första reflek- organ (M3), som är anordnat i strålgàng mellan stråldelaren terande organet (M1), och ett fjärde reflekterande organ (M4), som är anordnat i den andra strålens (B2) strålgàng mellan stråldelaren (BS) och det andra net (M2), (BS), reflekterande organet (M4) är inbördes reflekterande orga- att (M3) och det fjärde vinkelräta. k ä n n e t e c k n a d av stråldelaren det tredje reflekterande organet

2. Interferometer enligt krav l, k ä n n e t e c k - n a d av ett femte och ett sjätte reflekterande organ (M5, M6), respektive den andra strålens (BZ) strálgàng. som är anordnade i den första strålens (Bl)

3. Interferometer enligt krav 2, k ä n n e t e c k - n a d av att det femte och det sjätte reflekterande organet (M5, M6) är anordnade mellan stràldelaren (BS) och det tredje respektive det fjärde reflekterande organet (M3, M4).

4. Interferometer enligt krav 2, k ä n n e t e c k - n a d av att det femte och det sjätte reflekterande organet (M5, M6) är anordnade mellan det första och det tredje reflekterande organet (Ml, M3) respektive mellan det andra och det fjärde reflekterande organet (M2, M4). 503 758 10 15 20 25 30 35 10

5. Interferometer enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att de reflekterande organen (M1-M6) utgörs av plana speglar.

6. Interferometer enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d av att speglarna (M1-M6) är så anordnade att stràlgàngen är symmetrisk.

7. Fouriertransformspektrometer innefattande en interferometer enligt något av kraven 1-6.