DE10308006A1

DE10308006A1 - Michelson-Interferometer

Info

Publication number: DE10308006A1
Application number: DE2003108006
Authority: DE
Inventors: Alexander Korn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2003-02-25
Filing date: 2003-02-25
Publication date: 2004-09-09
Also published as: WO2004076998A1

Abstract

Ein Michelson-Interferometer weist einen Strahlteiler auf, der ein von einer Strahlungsquelle kommendes Strahlenbündel in zwei Teilbündel aufteilt und diese nach Durchlaufen von zwei Strahlungswegen zu einem neuen Strahlenbündel zur weiteren Verarbeitung vereinigt. Zwei Umlenkspiegel reflektieren die von dem Strahlteiler kommenden Teilbündel in unterschiedliche Teilbereiche eines rotierenden Retroreflektors, dessen Rotationsachse gegenüber seinem Tripelpunkt seitlich versetzt ist. Zwei Planspiegel spiegeln die von dem Retroreflektor reflektierten Teilbündel senkrecht zu diesem wieder zurück. DOLLAR A Um einen vereinfachten Aufbau und eine hohe Genauigkeit des Interferometers zu erreichen, sind zwei gleiche Prismenkörper (29, 30) mit jeweils einer ersten, zweiten, dritten und vierten planen Fläche (31 bis 38) vorgesehen, die an ihren ersten Flächen (31, 32) unter Bildung des Strahlteilers (8) spiegelsymmetrisch aneinander liegen, deren zweite Flächen (33, 34) die Umlenkspiegel (10, 12) bilden, deren dritte Flächen (35, 36) senkrecht zu den Strahlenbündeln (7 bzw. 20) liegen und deren vierte Flächen (37, 38) senkrecht zu den jeweiligen, von den Umlenkspiegeln (10, 12) in Richtung zu dem Retroreflektor (14) reflektierten Teilbündeln (9, 11) liegen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Michelson-Interferometer mit einem Strahlteiler, der ein von einer Strahlungsquelle kommendes Strahlenbündel in zwei Teilbündel aufteilt und diese nach Durchlaufen von zwei Strahlungswegen zu einem neuen Strahlenbündel zur weiteren Verarbeitung vereinigt, mit zwei Umlenkspiegeln, die die von dem Strahlteiler kommenden Teilbündel in unterschiedliche Teilbereiche eines rotierenden Retroreflektors reflektieren, wobei die Rotationsachse des Retroreflektors gegenüber seinem Tripelpunkt seitlich versetzt ist und die beiden Teilbereiche, bezogen auf die Rotationsachse, einander gegenüberliegen, und mit zwei Planspiegeln, die die von dem Retroreflektor reflektierten Teilbündel senkrecht zu diesem wieder zurückspiegeln.

Bei einem derartigen aus der US-A-5 341 207 bekannten Interferometer werden optische Wegdifferenzen in den Strahlungswegen der Teilbündel durch den rotierenden Retroreflektor erzeugt, dessen Rotationsachse gegenüber seinem Tripelpunkt versetzt ist. Dazu werden die Teilbündel von den Umlenkspiegeln durch Bohrungen in den Planspiegeln hindurch oder, wie aus der EP-A-0 924 499 bekannt, an diesen vorbei in den Retroreflektor umgelenkt, von wo aus sie auf die Planspiegel reflektiert werden. Die Planspiegel reflektieren die Teilbündel senkrecht in den Retroreflektor zurück, von wo aus sie wieder durch die Bohrungen in den Planspiegeln hindurch über die Umlenkspiegel zu dem Strahlteiler gelangen. Zur Kalibrierung des bekannten Interferometers dient ein Laser, dessen Laserstrahl in die Strahlungswege des Interferometers eingekoppelt und nach deren Durchlaufen anschließend mit einem Laserdetektor erfasst wird.

Die Genauigkeit des Interferometers ist von der exakten Anordnung des Strahlteilers und der Spiegel abhängig, wobei sich Fehler nur in einem begrenzten Umfang durch Verstellung der Planspiegeln beheben lassen. Für die Halterung des Strahlteilers und der Spiegel ist somit ein hoher konstruktiver Aufwand erforderlich.

Als Strahlteiler sind allgemein halbdurchlässige Spiegel bekannt, die durch die Grenzfläche zwischen zwei aneinander liegenden parallelen Platten oder zwischen zwei zu einem Würfel zusammengefügten Prismen gebildet werden. Im Falle der parallelen Platten ist von Nachteil, dass das Strahlenbündel und der Laserstrahl an der Oberfläche der Platte, in die sie schräg (in der Regel unter einem Winkel von 45°) einfallen, teilreflektiert werden, so dass weitere, störende Teilbündel bzw. Teilstrahlen entstehen. Bei den zu einem Würfel zusammengefügten Prismen kann der Laserstrahl zwischen den jeweils parallelen Flächen des Würfels reflektiert werden, so dass sich aufgrund des kohärenten Laserlichts störende Interferenzen bilden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile zu vermeiden und dabei den Aufbau des Interferometers zu vereinfachen.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass bei dem Michelson-Interferometer der eingangs angegebenen Art zwei gleiche Prismenkörper mit jeweils einer ersten, zweiten, dritten und vierten planen Fläche vorhanden sind, die an ihren ersten Flächen unter Bildung des Strahlteilers spiegelsymmetrisch aneinander liegen, deren zweite Flächen die Umlenkspiegel bilden, deren dritte Flächen senkrecht zu dem Strahlenbündel bzw. dem neuen Strahlenbündel liegen und deren vierte Flächen senkrecht zu den jeweiligen, von den Umlenkspiegeln in Richtung zu dem Retroreflektor reflektierten Teilbündeln liegen.

Die Positionen des Strahlteilers und der Umlenkspiegel zueinander sind durch die Flächen der beiden Prismenkörper exakt definiert, wobei sich die Prismenkörper mit weitaus höherer Präzision fertigen lassen, als dies für die Halterung des Strahlteilers und der Umlenkspiegel als separate Bauelemente möglich ist. Die absolute Genauigkeit der Winkel zwischen den Flächen der Prismenkörper muss dabei nicht hoch sein. Viel wichtiger ist eine höchstmögliche Symmetrie der aneinander liegenden Prismenkörper mit vernachlässigbar kleinen Winkeldifferenzen. Dies lässt sich dadurch erreichen, dass beide Prismenkörper immer paarweise gefertigt (geschliffen) werden, so dass sie identisch sind.

Die Umlenkung der Teilbündel bzw. des Laserstrahls kann durch innere Totalreflexion an den zweiten Flächen erfolgen; anderenfalls ist vorgesehen, dass die Prismenkörper an ihren zweiten Flächen nach innen hin verspiegelt sind.

Die beiden Prismenkörper können mittels einer Halterung in dem Interferometer an ihren ersten Flächen aneinander gepresst werden. Vorzugsweise sind sie aber an ihren ersten Flächen mittels eines transparenten Klebers miteinander verklebt, so dass ihre Lage zueinander vor ihrem Einbau in das Interferometer sehr genau und unveränderlich festgelegt ist. Die beiden Prismenkörper können somit ohne mechanische Beanspruchung in dem Interferometer gehalten sein, wobei sie vorzugsweise mit ihrer Halterung verklebt sind.

Wie oben bereits erläutert, lassen sich möglicherweise noch bestehende Fehler durch Verstellen der Planspiegeln beheben. Soweit dies im Rahmen der für das Interferometer geforderten Genauigkeit nicht mehr erforderlich ist, sind in vorteilhafter Weise die beiden Prismenkörper an ihren vierten Flächen außerhalb der Austrittsbereiche für die Teilbündel unter Bildung der Planspiegel außen verspiegelt.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird im Folgenden auf die Zeichnung Bezug genommen, die in
1 ein erstes Ausführungsbeispiel und in
2 ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Michelson-Interferometers zeigt.
Wie 1 zeigt, wird die von einer Strahlungsquelle 1 ausgehende Strahlung 2 mittels einer Optik 3 und mehreren Spiegeln 4, 5 und 6 zu einem parallelen Strahlenbündel 7 geformt, das unter einem vorgegebenen Winkel, hier 45°, auf einen Strahlteiler 8 fällt. Der Strahlteiler 8 teilt das Strahlenbündel 7 in zwei amplitudengleiche Hälften, wobei die eine Hälfte in Form eines Teilbündels 9 zu einem ersten Umlenkspiegel 10 durchgelassen wird und die andere Hälfte in Form eines zweiten Teilbündels 11 zu einem weiteren Umlenkspiegel 12 reflektiert wird. Die beiden Umlenkspiegel 10 und 12 liegen beiderseits einer durch den Strahlteiler 8 verlaufenden Symmetrieebene 13 und lenken die beiden Teilbündel 9 und 11 in einen Retroreflektor 14 um, der mittels eines Motors 15 in Rotation versetzt wird. Die Rotationsachse 16 liegt dabei in der Symmetrieebene 13 und ist gegenüber dem Tripelpunkt 17 des Retroreflektors 14 seitlich versetzt, so dass der Retroreflektor 14 eine exzentrische Drehbewegung ausführt. Zwei extreme Drehstellungen des Retroreflektors 14 sind hier mit ausgezogenen bzw. gestrichelten Linien wiedergegeben. Jedes der beiden in den Retroreflektor 14 fallenden Teilbündel 9 und 11 wird von diesem auf jeweils einen justierbar angeordneten Planspiegel 18, 19 reflektiert, der das betreffende Teilbündel 9 bzw. 11 senkrecht in den Retroreflektor 14, also in sich selbst zurückspiegelt. Die beiden Teilbündel 9 und 11 laufen daher auf jeweils demselben Strahlungsweg zurück zu dem Strahlteiler 8, wo sie zu einem neuen Strahlenbündel 20 wieder vereinigt werden, das anschließend mittels einer Anordnung mit zwei Spiegeln 21 und 22 auf einen Detektor 23 oder einen die Strahlung an einen Ort zur Weiterverarbeitung führenden Lichtleiter fokussiert wird.
Die exzentrische Drehbewegung des Retroreflektors 14 führt zu einer gegensinnigen Änderung der Weglängen der beiden Teilbündel 9 und 11 von dem Strahlteiler 8 zu den Planspiegeln 18 bzw. 19 und zurück, so dass bei der Vereinigung der beiden Teilbündel 9 und 11 in dem Strahlteiler 8 ein Interferogramm entsteht, welches die Fourier-Transformierte der von der Strahlungsquelle 1 kommenden Strahlung 2 darstellt. Das gezeigte Interferometer ist daher für die Fourier-Transform(FT-)Spektroskopie verwendbar.
Die Kalibrierung des Interferometers erfolgt mittels eines Lasers 24, dessen Laserstrahl 25 das Interferometer auf demselben Weg wie die Strahlung 2 durchläuft und anschließend von einem Laserdetektor 26 erfasst wird. Zur Einkopplung bzw. Auskopplung des Laserstrahls 25 in die Strahlungswege bzw. aus den Strahlungswegen des Interferometers enthalten die beiden Spiegel 5 und 22 jeweils im Randbereich des auf sie auftreffenden Strahlenbündels 7 bzw. 22 eine Öffnung 27 bzw. 28 in Form einer Bohrung, wobei hinter dem Spiegel 5 der Laser 24 und hinter dem Spiegel 22 der Laserdetektor 26 angeordnet ist und der Laserstrahl 25 durch die jeweilige Öffnung 27 bzw. 28 hindurch verläuft. Der Laserstrahl 25 verläuft innerhalb des Interferometers parallel zu den Strahlenbündeln 7 und 20 bzw. den Teilbündeln 9 und 11 in deren Randbereich, wobei der Laserstrahl 25, wie hier gezeigt, außerhalb der Strahlen- und Teilbündel 7, 9, 11, 20 oder innerhalb dieser Bündel liegen kann.
Mit Ausnahme der Strahlungsquelle 1, der Optik 3, des Spiegels 4 und des Detektors 23 sind alle gezeigten Komponenten des Interferometers streng symmetrisch zur Symmetrieebene 13 angeordnet, wodurch eine hohe Genauigkeit des Interferometers gewährleistet wird. Zur Realisierung des Strahlteilers 8 und der Umlenkspiegel 10, 12 sind zwei gleiche Prismenkörper 29 und 30 vorgesehen, die an ersten planen Flächen 31, 32 unter Bildung des Strahlteilers 8 spiegelsymmetrisch aneinander liegen und dort mittels eines transparenten Klebers mitein ander verklebt sind. Die Umlenkspiegel 10, 12 werden von jeweils einer zweiten planen und zum Inneren des Prismenkörpers 29 bzw. 30 hin verspiegelten Fläche 33 bzw. 34 der gebildet. Jeweils eine dritte plane Fläche 35 bzw. 36 der Prismenkörper 29 bzw. 30 liegt senkrecht zu den Strahlenbündeln 20 bzw. 7, während jeweils eine vierte Fläche 37 bzw. 38 senkrecht zu den von den Umlenkspiegeln 10 bzw. 12 in Richtung zu dem Retroreflektor 14 reflektierten Teilbündeln 9 bzw. 11 liegen. Beide Prismenkörper 29 und 30 in einer Halterung 39 gehalten und mit dieser verklebt.
Bei dem in 2 gezeigten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Michelson-Interferometers sind die Strahlenbündel 7 und 20, die Teilbündel 9 und 11 und der Laserstrahl 25 vereinfacht als Strahlen dargestellt. Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach 1 sind die beiden Prismenkörper 29 und 30 an ihren vierten Flächen 37, 38 außerhalb der Austrittsbereiche für die Teilbündel 9, 11 unter Bildung der Planspiegel 18, 19 außen verspiegelt.
Bei dem in 1 gezeigten Interferometer ergibt sich ein kompakter und konstruktiv einfacher Aufbau dadurch, dass die Umlenkspiegel 10 und 12 derart angeordnet sind, dass sie die Teilbündel 9, 11 zwischen den beiden Planspiegeln 18 und 19 hindurch an diesen vorbei in den Retroreflektor 14 reflektieren. Im Falle des Ausführungsbeispiels nach 2 können die Teilbündel 9, 11 von den Umlenkspiegeln ohne Weiteres auch durch Öffnungen in den Planspiegeln 18, 19 hindurch in den Retroreflektor umgelenkt 14 werden, ohne dass dadurch der konstruktive Aufwand erhöht wird.

Claims

Michelson-Interferometer – mit einem Strahlteiler (8), der ein von einer Strahlungsquelle (1) kommendes Strahlenbündel (7) in zwei Teilbündel (9, 11) aufteilt und diese nach Durchlaufen von zwei Strahlungswegen zu einem neuen Strahlenbündel (20) zur weiteren Verarbeitung vereinigt, – mit zwei Umlenkspiegeln (10, 12), die die von dem Strahlteiler (8) kommenden Teilbündel (9, 11) in unterschiedliche Teilbereiche eines rotierenden Retroreflektors (14) reflektieren, wobei die Rotationsachse (16) des Retroreflektors gegenüber seinem Tripelpunkt (17) seitlich versetzt ist und die beiden Teilbereiche, bezogen auf die Rotationsachse (16), einander gegenüberliegen, und – mit zwei Planspiegeln (18, 19), die die von dem Retroreflektor (14) reflektierten Teilbündel (9, 11) in diesen wieder zurückspiegeln, dadurch gekennzeichnet, – dass zwei gleiche Prismenkörper (29, 30) mit jeweils einer ersten, zweiten, dritten und vierten planen Fläche (31, 33, 35, 37; 32, 34, 36, 38) vorhanden sind, – die an ihren ersten Flächen (31, 32) unter Bildung des Strahlteilers (8) spiegelsymmetrisch aneinander liegen, – deren zweite Flächen (33, 34) die Umlenkspiegel (10, 12) bilden, – deren dritte Flächen (35, 36) senkrecht zu dem Strahlenbündel (7) bzw. dem neuen Strahlenbündel (20) liegen und – deren vierte Flächen (37, 38) senkrecht zu den jeweiligen, von den Umlenkspiegeln (10, 12) in Richtung zu dem Retroreflektor (14) reflektierten Teilbündeln (9, 11) liegen.
Michelson-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Prismenkörper (29, 30) an ihren zweiten Flächen (33, 34) zum Inneren des Prismenkörpers (29, 30) hin verspiegelt sind.
Michelson-Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prismenkörper (29, 30) an ihren ersten Flächen (31, 32) mittels eines transparenten Klebers miteinander verklebt sind.
Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prismenkörper (29, 30) in einer Halterung (39) gehalten und mit dieser verklebt sind.
Michelson-Interferometer nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Prismenkörper (29, 30) an ihren vierten Flächen (37, 38) außerhalb der Austrittsbereiche für die Teilbündel (9, 11) unter Bildung der Planspiegel (18, 19) außen verspiegelt sind.