DE2251080A1 - Michelson-interferometer - Google Patents
Michelson-interferometerInfo
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Description
18.September 1972 8845-72/Dr.v.B/Elf
Max-Planck-Gesellschaft zur Förderung der Wissenschaften
e.V., 34 Göttingen, Bunsenstraße 10
Michelson-Interferometer,
Es ist bekannt, den komplexen Brechungsindex ε =? (η + ik)
und damit die optischen Eigenschaften eines Festkörpers durch
Festkörperspektrometrie zu bestimmen. Nachdem leistungsfähige
Rechenanlagen zur Verfügung stehen, hat die sogenannte Fourier-Spektrometrie
zunehmend an Bedeutung gewonnen. Für die Durchführung solcher Untersuchungen sind unsymmetrische Michelson-Interferometer
besonders geeignet (Infrared Physics, 1966,£,
75-84 und 1969,9,, 185-209).
Ein asymmetrisches Michelson-Interferometer für die Festkörper spektrometrie im mittleren und fernen Infrarot soll folgenden
Forderungen genügen:
2 1.) Es sollen kleine Festkörperproben (<0.5 cm ) untersucht
werden körinen. Die Probe muß sich daher in einem Strahlenfokus möglichst kleinen Durchmessers befinden und die Bildfehler
der den Strahlenfokus erzeugenden optischen Anordnung müssen möglichst gering sein, um die Interferenzfähigkeit
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der Bündel nicht zu beeinträchtigen.
2.) Bei der im Interferometer notwendigen Änderung des Gangunterschiedes
zwischen dem Referenzstrahlungsgang und dem Probenstrahlungsgang in den beiden Interferometer-Armen dürfen
keine Verschiebungen des Fokus am Ort der Probe und am Endspiegel für das Referenzbündel stattfinden.
3.) Die Probe soll außer bei Zimmertemperatur auch bei tiefen und hohen Temperaturen untersucht werden können. Dabei ist
insbesondere die Messung bei Helium-Temperaturen, also in der Größenordnung von 4 K von besonderer Bedeutung.
4.) Das von der Strahlungsquelle kommende Meßstrahlungsbündel
soll möglichst senkrecht auf den Bündelteiler fallen, um die Eigenpolarisation im Interferometer klein zu halten. Dies ist
besonders wichtig bei der Verwendung der einen sehr hohen Wirkungsgrad aufweisenden Bündelteiler aus metallischen Kreuzgittern
(siehe z.B. Infrared Physics 1964, _4 , 257-262).
5.) Die maximale Grosse des Gangunterschiedes zwischen Proben-
und Referenzstrahlungsgang und damit die spektrale Auflösung des Gerätes soll nicht kleiner sein als bei den guten konventionellen
symmetrischen Fourier-Interferometern. Das Interferometer
soll weiterhin das gesamte mittlere und ferne Infrarot,
also den Spektralbereich von etwa IO ym bis lOOO um überstreichen.
Keines der bekannten unsymmetrischen Michelson-Interferometer erfüllt alle oben genannten Forderungen in
zufriedenstellender Weise. Bei dem aus der oben zuerst genannten Veröffentlichung bekannten Michelson-Interferometer
sind z.B. die wichtigen Forderungen 2.) und 3.) nicht erfüllt, da die Änderung des Gangunterschiedes durch Verschiebung des
Endspiegels im Referenzbündelstrahlenganges erfolgt und Probe
und Referenzspiegel weit voneinander entfernt sind. Auch die Forderung 1.) ist nur ungenügend erfüllt, da der Fokus am Ort
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der Probe durch einen Hohlspiegel erzeugt wird, der in einem verhältnismässig grossen Abstand von der Probe, nämlich zwischen
dem Bündelteiler und der Lichtquelle, angeordnet ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, ein asymmetrisches Michelson-Interferometer anzugeben,
das sich zur Festkörperspektrometrie im mittleren und fernen
Infrarot eignet und sämtlichen oben erwähnten Forderungen genügt.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung
gelöst.
Das Michelson-Interferometer gemäss der Erfindung erlaubt die
Untersuchung kleiner Festkörperproben, da sich die Probe in der Brennebene eines Hohlspiegels kleiner Brennweite befindet.
Die Bildfehler dieses Hohlspiegels werden gemäss einer Weiterbildung
der Erfindung dadurch minimal gehalten, daß die spiegelnde Fläche des Hohlspiegels die Form eines ausseraxialen Paraboloids
hat. '
Da die notwendige Änderung des Gangunterschiedes zwischen dem Proben- und Referenzstrahlungsgang durch Verschiebung eines
Rechteckwinkelspiegels, vorzugsweise eines Zentralspiegels (Tripelspiegels
oder Corner-Cube-Reflektors) im Parallelstrahlengang
erzeugt werden, treten keine Verschiebungen des Fokus am Ort
der Probe und des Endspiegels für das Referenzbündel ein.
Beim vorliegenden Michelson-Interferometer können ferner die Probe und der Endspiegel für das Referenzbündel dicht beieinander
in einer Probenkammer bzw. Kryostatkammer untergebracht
werden. Wenn die Strahlung durch ein strahlungsdurchlässiges Fenster in die Kammer ein- bzw. austritt, ist bei einer solchen
Anordnung gewährleistet, daß das Fenster vom Probenstrahlungsbündel
und Referenzstrahlungsbündel an nahezu der gleichen Stelle durchsetzt wird und Wegunterschiede zwischen den beiden
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Teilbündeln vermieden werden. Vorzugsweise kreuzen sich die Strahlengänge zwischen den Hohlspiegeln und der Probe bzw.
dem Endspiegel am Ort des Fensters, da dann beide Bündel praktisch den gleichen Bereich des Fensters durchsetzen.
Mit dem vorliegenden Michelson-Interferometer kann trotz minimalen
Raumbedarfs das gesamte mittlere und ferne Infrarot überstrichen werden, da eine Verschiebung eines Rechteckwinkeloder
Tripelspiegels um einen vorgegebenen Betrag einen Gangunterschied vom doppelten dieses Betrages erzeugt.
Der Erfindungsgedanke sowie Weiterbildungen und Ausgestaltungen
der Erfindung werden im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert;
es zeigen:
Figur 1 eine vereinfachte Draufsicht auf ein asymmetrisches
Michelson-Interferometer gemäss einem ersten Ausftihrungsbeispiel der Erfindung;
Figur 2 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Probenhalterungs-
oder Endspiegelhalterungsanordnung;
Figur 3 eine Teilansicht eines Bündelteilers;
Figur 4 eine schematische Darstellung eines sogenannten "Katzenauges"
und
Figur 5 eine schematische Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles eines asymmetrischen Michelson-Interferometer
s gemäss der Erfindung.
Das in Figur 1 schematisch dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung ist für Messungen im mittleren und fernen Infrarot
bestimmt. Die wesentlichen Teile der Strahlengänge sind
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daher in bekannter Weise in einer evakuierbaren Kammer VK
untergebracht.
Die' für die Untersuchung verwendete Meßstrahlung wird durch einen Strahler STR (z.B. eine Quecksilberhochärucklampe) erzeugt. Das vom Strahler STR ausgehende Strahlungsbündel wird
durch einen sphärischen Hohlspiegel Sl auf ein Eintrittsfenster Fl in der Wand der Vakuumkammer VK fokussiert. Das Eintrittsfenster
Fl kann ein Filter enthalten oder aus einem solchen bestehen. Das sich vom Eintrittsfenster Fl aus divergent
in das Innere der Vakuumkammer VK ausbreitende Meß-Strahlungsbündel
fällt auf einen zweiten sphärischen Hohlspiegel S2f von
dem es als Parallelstrahlungsbündel zu einem ebenen Spiegel P3
reflektiert wird. Vom ebenen Spiegel P3 fällt das parallele Meßstrahlungsbündel MB auf einen Bündelteiler ST, der in bekannter
Weise ausgebildet ist und z.B. eine Kunststoff-Folie oder ein Metalldrahtnetz enthalten kann. Das Meßstrahlungsbündel
MB soll mit der Normalen zur Ebene des Bündelteilers ST einen möglichst kleinen Winkel, z.B. zwischen 15° und 25° bilden.
Vom Bündelteiler ST wird das Meßstrahlungsbündel MB in ein reflektiertes Teilbündel und ein durchgelassenes Teilbündel
ausgespalten, die als Probenbündel PB bzw. Referenzbündel RB dienen.
Das Referenzbündel RB durchläuft einen vom Bündelteiler ST
zu einem Endspiegel ES und zurückführenden Referenzbündelstrahlungsgang, der vom Bündelteiler ST ausgehend im wesentlichen
einen ebenen Spiegel Pl, einen Tripelspiegel TSl und einen Hohlspiegel APl enthält.
Das Probenstrahlungsbündel PB durchläuft einen zum Referenzstrahlungsgang
im wesentlichen symmetrischen Probenbündelstrahlungsgang, der im wesentlichen einen weiteren ebenen
Spiegel P2, einen zweiten Tripelspiegel TS2 und einen
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zweiten Hohlspiegel AP2 enthält.
Die Hohlspiegel APl und AP2 haben vorzugsweise spiegelnde Flächen in Form asymmetrischer Paraboloide, so daß die Bildfehler
möglichst klein sind.
Die Hohlspiegel APl und AP2 sind so angeordnet, daß sie die
einfallenden Parallelstrahlungsbündel am Ort des Endspiegels ES bzw. einer in einer Probenhalterung PH angeordneten Probe fokussieren.
Probenhalterung PH und Endspiegel ES sind nahe beieinander in einer Probenkammer PK untergebracht, die bei dem
dargestellten Ausführungsbeispiel durch einen Kryostaten KR auf Heliumtemperatur abgekühlt werden kann. Die Anordnung der
Hohlspiegel APl und AP2 ist dabei so getroffen, daß sich das Referenzstrahlungsbündel und das Probenstrahlungsbündel am
Ort eines nicht dargestellten Eintrittfensters der Probenkammer schneiden, so daß beide Bündel praktisch den gleichen Bereich
des Fensters durchsetzen.
Das Referenzstrahlungsbündel und das Probenstrahlungsbündel werden am Endspiegel ES bzw. an der in der Probenhalterung PH
befindlichen Probe reflektiert und gelangen über die Hohlspiegel APl bzw. AP2, die Tripelspiegel TSl bzw. TS2 und die
ebenen Spiegel Pl bzw. P2 zurück zum Bündelteiler ST der jeweils einen Teil der zurückkehrenden Bündel reflektiert bzw.
durchläßt und dadurch ein aus dem reflektierten Teil des Referenzstrahlungsbündels
sowie dem durchgelassenen Teil des Probenstrahlungsbündels bestehendes Ausgangsstrahlungsbündel
AB erzeugt, das durch einen ebenen Spiegel P4 zu einem sphärischen Hohlspiegel S3 reflektiert wird, der das Ausgangs-Strahlungsbündel
AB durch ein Austrittsfenster F2 in eine Detektoranordnung D reflektiert, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ein Reflexionsfilter R, einen Hohlspiegel E, dessen spiegelnde Fläche die Form eines ausseraxialen Ellipsoids
hat und eine Golay-Zelle GZ enthält.
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Im Wege des Meßstrahlungsbündels, z.B. zwischen dem sphärischen
Hohlspiegel Sl und dem Eintrittsfenster Fl, ist ein üblicher Bündelzerhacker ZH angeordnet.
Der Tripelspiegel TSl ist durch eine nur schematisch angedeutete Verstellvorrichtung, die einen Antriebsmotor A enthält
parallel zur Achse des einfallenden ReferenzStrahlungsbündels meßbar verschiebbar.
Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Halterungsanordnung für den Endspiegel ES bzw. die Probe. Die Halterung enthält
einen ebenen Umlenkspiegel US, der das vom Hohlspiegel APl bzw, ÄP2 im wesentlichen waagrecht einfallende konvergente
Bündel senkrecht, nach oben umlenkt. Der Endspiegel ES bzw. die Probe sind auf drei justierbaren Stützen gelagert, von denen
in Figur 2 nur zwei Stützen SSl bzw. SS2 sichtbar sind.
Der mit der Mittelachse des einfallenden Strahlungsbündels
einen Winkel von 45° bildende Umlenkspiegel US ist mittels zweier Justierschrauben JS justierbar.
Bei einer Justierung des Interferometers werden in beide Halterungen
Spiegel eingesetzt. Nach der Justierung wird der eine Spiegel durch die Probe ersetzt, die eine möglichst genau
plangeschliffene Oberfläche haben soll und sich während der Messung nicht verformen darf»
Figur 3 zeigt eine Teilansicht einer praktischen Ausführungsform des Bündelteilers ST. Das aktive Element des Bündelteilers
besteht hier aus einer Polyesterfolie FO, die durch einen Folienträger FT über einen Rahmen RA gespannt wird, welcher
eine Referenzfläche RF hat. Die Folien sind durch einfaches
Lösen von drei gefederten Andruckzapfen AZ schnell auswechselbar, wobei gewährleistet ist, daß bei Auswechseln der
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Strahlenteilerfolie FO keine Dejustierung eintritt. Durch verschieden
starke Andruckfedersätze und mit Hilfe der Spannmuttern kann der Druck des Zapfens auf den Folienträger so eingestellt
werden, daß Strahlenteilerfolien verschiedener Materialien und verschiedener Stärke optimal auf die Referenzfläche
gespannt werden.
Anstelle der Tripelspiegel TSl und TS2 können selbstverständlich auch andere Reflektoranordnungen verwendet werden, die ein
einfallendes Bündel parallel versetzt reflektieren. Man kann z.B. einen einfachen Rechteckwinkelspiegel verwenden, der zwei
einen rechten Winkel miteinander bildende reflektierende Flächen enthält. Figur 4 zeigt eine dritte Alternative, die als
"Katzenauge" bekannt ist. Die Reflektoranordnung gemäss Fig.4
enthält einen Hohlspiegel HO, der eine sphärische oder parabolische Spiegelfläche aufweisen kann. In der Brennebene des
Spiegels HO ist ein kleiner ebener Spiegel P5 angeordnet. Ein einfallendes Bündel wird , wie dargestellt, durch eine
solche Reflektoranordnung parallel versetzt reflektiert.
Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des asymmetrischen Michelson-Interferometers gemäss der Erfindung. Wirkungsgleiche
Bauelemente sind in Figur 1 und 5 mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
Das Referenzstrahlungsbündel RB und das Probenstrahlungsbündel
PB fallen bei dem Ausführungsbeispiel gemäss Figur 5 vom Bündelteiler ST direkt auf die Tripelspiegel TSl bzw. TS2 und
werden anschliessend durch zwei in der dargestellten Weise angeordnete ebene Spiegel P6 und P7 bzw. P8 und P9 auf die
Hohlspiegel APl bzw. AP2 reflektiert. Im übrigen kann der Aufbau dem des Ausführungsbeispieles gemäss Figur 1 entsprechen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind für die Untersuchung reflektierender Proben bestimmt. Eine Abänderung für
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Transmissionsuntersuchungen ist leicht möglich, so kann man
z.B. zwei Endspiegel verwenden und die Probe zwischen dem einen Umlenkspiegel US und dem einen Endspiegel ES (Figur 2) anordnen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele lassen sich selbstverständlich
auch noch in. anderer Hinsicht abwandeln. So ist es z.B. möglich, das divergierende Bündel vom Eintrittsfenster Fl
aus direkt auf den Bündelteiler ST fallen zu lassen und anstelle
des ebenen Spiegels Pl einen Hohlspiegel entsprechender Brennweite zu verwenden, der das einfallende divergierende
Bündel in ein Parallelstrahlenbündel umwandelt. An die Stelle des Spiegels P2 würde darin'ein entsprechender Hohlspiegel treten.
A0981 8/Q50Q
Claims (8)
- Patentansprüche) Asymmetrisches Michelson-Interferometer mit einer Strahlungsquelle zum Erzeugen eines MeßStrahlungsbündeIs , das auf einen Bündelteiler fällt, der es in ein einen Probenstrahlungsgang durchlaufendes, am Ort einer zu untersuchenden , in einer Probenhalterung angeordneten Probe konvergierendes und von dieser zum Bündelteiler reflektiertes Probenstrahlungsbündel sowie ein einen Referenzstrahlungsgang durchlaufendes, am Ort eines Endspiegels konvergierendes und von diesem zum Bündelteiler reflektiertes Referenzstrahlungsbündel zerlegt, ferner mit einer Verstellvorrichtung zum meßbaren Ändern der optischen Länge des Referenzstrahlungsganges bezüglich der optischen Länge des Probenstrahlungsganges, und einem Strahlungsdetektor, der im Strahlengang eines Ausgangsstrahlungsbündels angeordnet ist, das am Bündelteiler durch Vereinigung der reflektierten Proben- und Referenzstrahlungsbündel entsteht, dadurch gekennzeichnet , daß der Referenz- und der Probens tr ah lung sgang jeweils einen von zwei Hohlspiegeln (APl, AP2) gleicher, kurzer Brennweite enthalten; daß der Endspiegel (ES)und die Probenhalterung (PH) nahe beieinander bei den Brennpunkten je eines der Hohlspiegel angeordnet sind; daß zwischen den Hohlspiegeln und dem Bündelteiler (ST) je eine Reflektoranordnung (TSl, TS2) angeordnet ist, die das dort parallele Referenz- bzw. Probenstrahlungsbündel parallel versetzt reflektiert, und daß die Verstellvorrichtung (A) eine Anordnung zum Verschieben mindestens einer der Reflektoranordnungen (TSl, TS2) in einer den parallel versetzten Bündeln parallelen Richtung enthält.
- 2.) Michelson-Interferometer nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, daß die Hohlspiegel (APl #AP2) nebeneinander angeordnet sind und Spiegelflächen in Form außer-4Q9818/0500axialer Paraboloide haben.
- 3.) Michelson-Interferometer nach Anspruch 1 t oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß die Reflektoranordnungen jeweils einen Rechteckwinkelspiegel, einen Tripelspiegel (TSl) oder ein Katzenauge (Figur 4) enthalten,
- 4.) Michelson-Interferometer nach Anspruch lf 2 oder 3, d a du rch gekennzeichnet, daß sich der Referenzstrahlungsgang und der Probenstrahlungsgang zwischen den Hohlspiegeln (APl, AP2) und den zugehörigen Brennpunkten kreuzen.
- 5.) Michelson-Interferometer nach Anspruch 4, d ad u r c h gekennzeichnet , daß die Probenhalterung (PH) und der Endspiegel (ES) in einer abgeschlossenen Probenkammer (PK) angeordnet sind, die ein im Kreuzungsbereich der Bündel befindliches, für die Meßstrahlung durchlässiges Fenster hat.
- 6.) Michelson-Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß im Referenz- und Probenstrahlungsgang zwischen dem Bündelteiler (ST) und den jeweiligen Hohlspiegeln (APl, AP2) ein reflektierendes Element (Pl, P2) angeordnet ist, das die vom Bündelteiler aus im stumpfen Winkel divergierenden Bündel (RB, PB) in annähernd parallele Richtungen reflektiert, daß die Reflektoranordnungen,(TSl, TS2) im Wege dieser reflektierten Bündel, vom Bündelteiler aus gesehen hinter der Probenhalterung (PH) sowie dem Endspiegel (ES) angeordnet sind, und daß die Hohlspiegel (APl, AP2) im Raum zwischen dem Bündelteiler und der Probenhalterung bzw. dem Endspiegel angeordnet sind (Figur 1).
- 7.) Michelson-Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß- das Referenz- und „das Probenstrahlungsbündel (RB, PB)., die vom4 0981 8/050022b1080Bündelteiler (ST) aus im stumpfen Winkel divergieren, zuerst auf die Reflektoranordnungen (TSl, TS2) fallen und dann über je eine reflektierende Anordnung (P6, P7; P8,P9) auf die nebeneinander zwischen dem Bündelteiler (ST) und der Probenhalterung bzw. dem Endspiegel angeordnete Hohlspiegel (APl, AP2) geworfen werden (Figur 5).
- 8.) Michelson Interferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den Hohlspiegeln (APl, AP2) und dem Endspiegel (ES) bzw. der Probe jeweils ein Umlenkspiegel (US) angeordnet ist, der die betreffenden Bündel um 90° umlenkt und daß zur Halterung der Probe bzw. des Endspiegels eine justierbare Dreipunkthalterung vorgesehen ist (Figur 2).4098 1 8/0500
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1973
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