DE2806777C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Interferometer gemäß Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einer Art interferometrisch arbeitender Refraktometer wird jeder von zwei Lichtstrahlen durch eine andere Flußzelle einer dualen Flußzelleneinheit geleitet, wobei einer der beiden Lichtstrahlen durch eine Referenzflußzelle läuft und der andere durch eine Flußzelle, die mit einer chromatographischen Säule verbunden ist, deren Abfluß überwacht wird. Die beiden Lichtstrahlen werden kombiniert und das Interferenzmuster von einer Fotozelle erfaßt, wobei das Signal von der Fotozelle zu einer Schaltung übertragen wird, die den Brechungsindex des abfließenden Mediums von der chromatographischen Säule anzeigt, der auf der Phasenverschiebung zwischen den beiden Lichtstrahlen beruht, die durch das Lösungsmittel in dem abfließenden Medium verursacht wird.

In interferometrischen Refraktometern dieser Art nach dem Stand der Technik werden ein elektrisches Signal, das durch das Interferenzmuster erzeugt wird, und ein elektrisches Signal, das durch den ursprünglichen Lichtstrahl erzeugt wird, in einem speziellen elektromechanischen Komparator verglichen, was die Verwendung eines komplizierten, trigonometrischen Aufbaus erfordert, um die Phasenverschiebung zu bestimmen, die durch Änderungen in dem Brechungsindex des Fluids von der chromatographischen Säule verursacht wird. Ein Beispiel für ein derartiges interferometrisches Refraktometer ist dem Aufsatz ′′A Laser Interferometric Differential Refractometer for Detection of Chromatographic Effluent and Measurement of Volume Elasticity of Liquids′′ von H. Z. Hazelbrook, erschienen in Journal of Physics E: Scientific Instruments 5, 1972, 180 bis 185, offenbart.

Interferometrische Refraktometer nach dem Stand der Technik besitzen verschiedene Nachteile. Beispielsweise ist eine komplizierte elektromechanische Verbindung notwendig, und die Vorrichtung ist empfindlich gegenüber Änderungen der Intensität der Primärlichtquelle, was eine verhältnismäßig komplexe Überwachungsanordnung für die Lichtintensität erfordert.

Es ist bereits ein Interferometer bekannt, in dem zwei kohärente Lichtstrahlen in bezug zueinander phasenmoduliert sind, bevor sie durch die jeweiligen Zellen in eine duale Flußzelle laufen, und dann zur Bildung eines Interferenzmusters kombiniert werden. Das Interferenzmuster wird mit einem Signal verglichen, das die Lichtstrahlen moduliert, wodurch ein Signal erhalten wird, das Änderungen in der optischen Länge der Lichtstrahlen anzeigt, wenn sie durch die Flußzellen laufen, was wiederum Änderungen in dem Brechungsindex des Fluids in der Flußzelle angibt. Es sind Techniken zur Charakterisierung von Interferometern bekannt, in denen zwei kohärente Lichtstrahlen in bezug zueinander zur Erzeugung von Interferenzmustern phasenmoduliert sind. Diese Interferenzmuster werden erfaßt und aufgezeichnet. Jedoch moduliert bei dieser Arbeitsweise die Auftreffplatte oder das Target einen der Lichtstrahlen, indem es ihn von seiner Oberfläche reflektiert. Eine derartige Arbeitsweise ist in dem Aufsatz ′′Fringe-Shift Generators for Characterizing Interferometer System Response′′ von K. W. Henry und G. A. Carlson, erschienen November 1973, Rev. Sci. Instrum. V. 44, n. 11, Seiten 1654 bis 1657, offenbart. Es sind auch Interferometer bekannt, die elektronisch die Eigenheiten der Interferenzmuster erfassen; ein derartiges Interferometer ist in dem Aufsatz ′′A New Reversible High Speed Fringe Counter for Laser Interferometry′′ von F. T. Arecchi, G. Lepre und A. Sona, erschienen im August 1964 in Alta Frequenza, Vol. XXXIII, Seiten 534 bis 540, offenbart.

Diese Vorrichtungen nach dem Stand der Technik stellen nicht das gleiche, identische Modulationselement in beide Lichtbahnen. Da sich nicht das gleiche Modulationselement in jedem Lichtweg befindet, sind die Interferometer nach dem Stand der Technik Instabilitäten, beispielsweise Temperaturabweichungen, unterworfen. Darüber hinaus hat sich ergeben, daß die Vorrichtungen nach dem Stand der Technik zur Phasenmodulierung von Lichtstrahlen extrem kostenaufwendig sind.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein rauscharmes Interferometer zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Interferometer der eingangs genannten Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird anhand der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines Interferometers gemäß einer Ausführung;

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Generators für periodisch modulierte Lichtstrahlen, der ein Teil des Interferometers nach Fig. 1 ist;

Fig. 3 eine teilweise geschnittene schematische Darstellung eines optischen Weglängensensors, der in einer Ausführung der Erfindung Verwendung finden kann;

Fig. 4 die schematische Darstellung einer Schaltung für eine Indikatorschaltung.

In Fig. 1 ist ein Interferometer 10 gezeigt, das einen modulierten Lichtstrahlgenerator 12, einen optischen Weglängensensor 14 und eine Indikatorschaltung 16 aufweist. Der modulierte Lichtstrahlgenerator 12 liefert phasenmodulierte Lichtstrahlen zu dem optischen Weglängensensor 14, der eine Probe empfängt oder erhält, deren optische Weglänge erfaßt werden soll, und der ein Ausgangssignal an die Indikatorschaltung 16 liefert. Die Indikatorschaltung 16 steuert den modulierten Lichtstrahlgenerator 12 und zeigt in Übereinstimmung mit dem Ausgang von dem optischen Weglängensensor 14 Änderungen in der optischen Weglänge oder Informationen, die leicht von derartigen Änderungen abgeleitet werden können.

Um zwei zueinander phasenmodulierte Lichtstrahlen zu erzeugen, besitzt der Lichtstrahlgenerator 12 eine Lichtquelle 18, einen Strahlenteiler 20 und einen elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22.

Der Strahlteiler 20 ist derart angeordnet, daß er Licht von der Lichtquelle 18 empfängt, und er besitzt eine Vorrichtung: (1) zur Erzeugung von zwei monochromatischen Lichtstrahlen mit konstanter Phasenbeziehung zueinander, und (2) zur Übertragung der beiden Lichtstrahlen zu dem elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22. Der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22 ist derart angeordnet, daß er die beiden Lichtstrahlen von dem Strahlteiler 20 aufnimmt, und er besitzt eine Vorrichtung, die elektrisch mit der Indikatorschaltung 16 über den Leiter 36 zur gegenseitigen Phasenmodulation der Lichtstrahlen in Ansprache auf das Signal auf dem Leiter 36 verbunden ist.

Die Lichtquelle 18 ist in der bevorzugten Ausführung ein Helium-Neon-Laser, der eine oder mehrere intensive Spektrallinien bei einer Wellenlänge von 628 nm aufweist. Es können jedoch auch andere Lichtquellen, beispielsweise eine Niederdruckquecksilberdampflampe oder andere Spektrallampen für Anwendungen benutzt werden, die mit ihren Charakteristiken zu vereinbaren sind.

Um die beiden Lichtstrahlen mit der gleichen Phase aus dem Licht, das von der Lichtquelle 18 empfangen wird, zu erzeugen, besitzt der Strahlenteiler 20 beispielsweise halbdurchlässige Spiegel, um getrennte Lichtstrahlen zu bilden, die aus dem von der Lichtquelle 18 empfangenen Licht gebildet werden, wie es beispielsweise in einem Mach-Zehnder-Interferrometer zum Stand der Technik gehört.

Um die beiden Lichtstrahlen zu modulieren, besitzt der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22 eine Vorrichtung, um zumindest einen Lichtstrahl aufzunehmen und ihn zu verzögern oder zu beschleunigen, so daß er seine Phasenbeziehung zum anderen Lichtstrahl ändert. Die Vorrichtung überträgt auch die beiden phasenmodulierten Lichtstrahlen zu dem optischen Weglängensensor 14, nachdem die Lichtstrahlen zueinander phasenmoduliert worden sind.

In der bevorzugten Ausführung werden die beiden Lichtstrahlen durch die Endabschnitte eines Quarzkristalls übertragen, der in einem Winkel bezüglich der Lichtstrahlen angeordnet ist und in der Hauptrichtung der Lichtstrahlen vibriert, so daß die beiden Lichtstrahlen jeweils durch Stärken des Kristalls übertragen werden, die sich durch die Vibrationen ändern.

Um ein elektrisches Signal zu erzeugen, das die optische Weglänge durch eine Probe oder eine sich bewegende Probe liefert, besitzt der optische Weglängensensor 14 einen Probenhalter 24, eine Lichtstrahlzusammenführung 26 und einen Lichtsensor 28, wobei der Probenhalter 24 derart angeordnet ist, daß einer der phasenmodulierten Lichtstrahlen von dem modulierten Lichtstrahlgenerator 12 durch die Probe verläuft oder sie berührt und der andere Lichtstrahl durch eine Referenzprobe oder direkt zu der Strahlenzusammenführung 26 verläuft. Die Strahlenzusammenführung 26 ist so angeordnet, daß sie die beiden Lichtstrahlen aufnimmt und zusammenfaßt, nachdem sie durch die Probe verlaufen sind oder sie berührt haben, und daß sie die zusammengefaßten Lichtstrahlen zu dem Lichtsensor 28 überträgt, der ein repräsentatives elektrisches Signal erzeugt.

Die Indikatorschaltung 16 besitzt einen Modulationssignalgenerator 32 und einen Phasenmesser oder ein Phasenmeter 34, wobei der Modulationssignalgenerator 32 über den Leiter 36 elektrisch mit dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 verbunden ist, um die Modulation der beiden Lichtstrahlen zu steuern, und außerdem über den Leiter 38 an das Phasenmeter 34 angeschlossen ist. Das Phasenmeter 34 ist elektrisch mit dem Lichtsensor über den Leiter 30 verbunden und zeigt das Verhältnis zwischen dem von dem Modulationssignalgenerator 32 und dem von dem Lichtsensor 28 erzeugten Signal an.

Vor dem Betrieb des Interferometers 10 wird die Probe in dem Probenhalter 24 angeordnet. Beispielsweise kann die Probe ein abfließendes Medium von einer chromatographischen Säule sein. In diesem Fall wird das reine Lösungsmittel, das in der chromatographischen Säule verwendet wird, in der einen Flußzelle einer dualen Flußzelle angeordnet, und das Fluid von der chromatographischen Säule wird durch die andere Flußzelle geführt, so daß der eine Lichtstrahl durch ein Referenzlösungsmittel verläuft und der andere Lichtstrahl durch das abfließende Medium von der chromatographischen Säule. Es wird dann eine Grundlinie eingerichtet. Beispielsweise wird in dem obigen Beispiel das Phasenmeter abgelesen, um eine Grundlinienphase anzuzeigen, wenn das reine Lösungsmittel durch beide Flußzellen fließt. In anderen Ausführungen wäre es möglich, den Indikator oder Aufzeichner auf eine Nullanzeige mit reinem Lösungsmittel einzustellen.

Im Betrieb überträgt der elektrische Strahlenphasenrelationsmodulator 22 zwei Lichtstrahlen durch den Probenhalter 24, der durch die beiden Flußzellen einer dualen Flußzelle gebildet werden kann, und durch die Strahlenzusammenführung 26, die ein Interferenzmuster erzeugt, das sich ändert, wenn die Phase der beiden Lichtstrahlen sich ändert. In Abhängigkeit von der optischen Weglänge durch die Probe oder von der Probe liefert die Strahlenzusammenführung 26 ein Interferenzmuster an den Lichtsensor 28, der ein Signal durch den Leiter zu der Indikatorschaltung 16 überträgt, damit das Phasenmeter 34 die optische Weglänge anzeigt, die den Brechungsindex für den Fall darstellen kann, in dem ein Abflußmedium von einer chromatographischen Säule zu überwachen ist.

Um zwei zueinander modulierte Lichtstrahlen zu schaffen, überträgt die Lichtquelle 18 Licht einer Wellenlänge von 628 nm zu dem Strahlenteil 20, in dem es aufgeteilt wird, um zwei Lichtstrahlen zu bilden, die von dem Strahlengenerator zu dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 übertragen werden.

Die beiden Lichtstrahlen sind zueinander durch den elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 phasenmoduliert in Übereinstimmung mit den Signalen, die auf dem Leiter 36 vom Demodulationssignalgenerator 32 empfangen werden, und zwar mit einem Phasenwinkel, der groß genug ist, um eine ausreichende Modulationsbreite zu liefern, und sie werden weiterhin durch den Probenhalter 24 geführt, um die optische Weglänge durch die Probe oder bis zur Probe zu erfassen. Ganz allgemein werden die beiden Lichtstrahlen um einen Phasenwinkel moduliert, der größer als pi ist, um die Bildung von Brechungslinien sicherzustellen. In der Tat muß die Modulationslänge nur ausreichen, so daß Linien gebildet werden, wenn die Verzögerung, die durch die zu messende Probe verursacht ist, zusammen mit der maximalen Modulation wenigstens pi beträgt.

Um den Brechungsindex eines abfließenden Mediums von einer chromatographischen Säule in den Fällen, in denen dieses Medium die Probe darstellt, zu erfassen, wird ein reines Lösungsmittel durch eine Flußzelle der dualen Flußzelle gegeben, die den einen der Lichtstrahlen von dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 aufnimmt, und das abfließende Medium von der chromatographischen Säule wird in die andere Flußzelle gegeben, die den anderen Strahl vom elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 aufnimmt.

Wenn das reine Lösungsmittel durch beide Flußzellen fließt, wird die Phasenrelation zwischen den Lichtstrahlen, die durch die Flußzellen verlaufen, nicht durch das Lösungsmittel beeinträchtigt, so daß der Zeitpunkt der Nullphasendifferenz zu periodischen Zeiten auftritt, die durch den Strahlenmodulator gesteuert werden, oder die Phase wird nur in einer feststehenden Weise beeinträchtigt, die kompensiert wird durch die ursprüngliche visuelle Einstellung oder Ausrichtung der optischen Wege. Wenn jedoch ein Abflußmedium von der chromatographischen Säule durch eine Flußzelle läuft, ändert der Brechungsindex des abfließenden Mediums die Zeit, die für den Lichtstrahl erforderlich ist, die Flußzelle zu durchqueren, wodurch das Phasenverhältnis zwischen den beiden Lichtstrahlen geändert wird.

Die beiden Lichtstrahlen werden in der Strahlenzusammenführung 26 zusammengefaßt und auf den Lichtsensor 28 in der Form eines sich ändernden Interferenzmusters gegeben, wobei sich das Muster in der Lichtintensität ändert, wenn die Phasenrelation zwischen den beiden Lichtstrahlen, die von dem Probenhalter 24 übertragen werden, sich ändert. Der Lichtsensor 28 erzeugt in Ansprache auf das wechselnde Interferenzmuster ein variierendes elektrisches Signal, das die Änderung in der Lichtintensität des Interferenzmusters anzeigt, und liefert das Signal durch den Leiter 30 zu der Indikatorschaltung 16.

Um die optische Weglänge zu messen, vergleicht die Indikatorschaltung 16 das auf der Leitung empfangene Signal mit dem Signal, das von dem Modulationssignalgenerator auf dem Leiter 38 empfangen wird. Wenn beispielsweise ein reines Lösungsmittel durch die beiden Flußzellen in den Probenhalter 24 fließt, zeigt das Interferenzmuster eine Nullphasenverschiebung zu denselben Zeitabschnitten an, die durch den Modulationssignalgenerator 32 gebildet werden.

Wenn die optische Weglänge sich ändert, beispielsweise wenn ein Abflußmedium mit einem unterschiedlichen Brechungsindex von der chromatographischen Säule durch die eine der Flußzellen in der dualen Flußzelle fließt, ändert sich das Phasenverhältnis. Diese Änderung wird auf dem Phasenmeter 34 angezeigt, das in Einheiten den Brechungsindex kalibriert werden kann. Das Phasenmeter kann einen Probenkollektor oder einen Aufzeichner in einer an sich bekannten Art steuern, um unterschiedliche Abflußmedien in verschiedenen Behältern zu sammeln oder um auf einer Aufzeichnung den Brechungsindex des Abflußmediums anzuzeigen, was ein Maß für den Lösungsmittelgehalt ist.

Wie der obigen Beschreibung entnommen werden kann, hat das Interferometer 10 mehrere Vorteile, beispielsweise (1) liefert es einen automatischen Maßstabausgang, (2) weist es keine komplizierten bewegenden Teile, (3) ist es verhältnismäßig einfach, die Länge des optischen Weges zu bestimmen, und zur Durchführung sind keine komplizierten bewegenden Teile notwendig, und (4) ist die Vorrichtung gegenüber Änderungen in der Lichtintensität von der Primärlichtquelle nicht empfindlich, da die Messung auf Phasenänderungen anstatt auf Änderungen der Amplitude der Lichtintensität beruht.

In Fig. 2 ist eine Ausführung des Generators 12 A für den modulierten Lichtstrahl gezeigt, bei dem der Strahlenteiler 20 so angeordnet ist, daß er Licht von der Primärlichtquelle 18 aufnimmt und zwei Lichtstrahlen zu dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22 (siehe Fig. 1) überträgt, der in Fig. 2 ein Kristallmodulator ist. Um zwei parallele Strahlen von kohärentem Licht zu bilden, besitzt der Strahlenteiler 20 einen halbdurchlässigen Spiegel 40 und einen Spiegel 42 zwischen der Primärlichtquelle 18 und dem elektrischen Strahlenphasenrelationsmodulator 22, die in der genannten Reihe angeordnet sind. Der halbdurchlässige Spiegel 40 ist eine auf der Oberfläche leicht versilberte Glasplatte und in üblicher Weise aufgebaut, um einen Teil des Lichtes zu reflektieren und einen anderen Teil durchzulassen, so daß ein erster und ein zweiter Lichtstrahl 48 und 46 in einem Winkel zueinander von der gleichen Lichtquelle gebildet werden. Er ist in dem Lichtstrahl von der Lichtquelle 18 angeordnet und bildet mit diesem einen Winkel von 135°, um einen zweiten Lichtstrahl 46 in einem Winkel von 90° von dem ersten Strahl zu reflektieren, wobei der erste Strahl 48 direkt zu dem Modulator 22 übertragen wird. Der Spiegel 42 ist in einem Winkel von 135° zu dem zweiten Strahl 46 und in ihm liegend angeordnet, so daß er den zweiten Strahl zu dem Modulator 22 parallel zum ersten Strahl reflektiert.

Um die beiden Lichtstrahlen 46 und 48 zu modulieren, besitzt der elektrische Strahlphasenrelationsmodulator 22 in der Ausführung gemäß Fig. 2 einen Quarzkristall 50 der Y-Schnittklasse oder Orientierung II, der entweder ein gerader Y- Schnitt oder ein rotierter Y-Schnitt, beispielsweise ein temperaturabhängiger Kristall oder AT-Schnitt sein kann und der zwei lichtdurchlässige Endabschnitte 52 und 54 besitzt, durch die die Lichtstrahlen 46 und 48 verlaufen, sowie Paare von Elektroden, deren eines Paar 56 A und 56 B auf der einen Stirnseite und deren anderes Paar 58 A und 58 B auf der entgegengesetzten Stirnseite angeordnet ist. Die Elektroden 56 A und 58 B sind elektrisch mit dem Leiter 36 verbunden, um die Modulationsspannung von dem Modulationssignalgenerator 32 (Fig. 1) aufzunehmen, die Elektroden 56 B und 58 A sind geerdet, wobei jede Elektrode in üblicher Weise mit einer Platte auf dem Quarzkristall 50 verbunden ist, um den Quarzkristall in der Dickenscherung zweiter Ordnung zu beanspruchen, wodurch er in der Biegelängendicke in der ersten Ordnung vibriert.

In diesem Betrieb biegt sich der Kristall, um die durch die Enden verlaufenden Lichtstrahlen in der Phase zu modulieren. Diese Art der Vibration, nicht jedoch der optische Effekt, ist beschrieben in ′′PIEZOELECTRICITY′′ von Walter Guyton Cady, veröffentlicht von McGraw-Hill Book Company, Inc., London 1946, 1st Ed., Seiten 446, 448 und 449. Weitere Einzelheiten des Aufbaus derartiger Vibrationselemente sind in einem Aufsatz ′′A Length-Thickness Flexure Mode Quartz Resonator′′ von Robert W. Allington, veröffentlicht in Proceedings of the 29th Annual Frequency Control Symposium - 1975 auf den Seiten 195 bis 201 beschrieben.

Der Kristall wird in einem Winkel zu der Ebene, die rechtwinklig zu der Richtung der beiden Lichtstrahlen liegt, befestigt. Demgemäß biegt sich bei einer Biegung in eine Richtung in der Biegeschwingung in der Längen-Dicke-Richtung in erster Ordnung ein Ende in Richtung der Ebene senkrecht zur Richtung der beiden Lichtstrahlen, und das andere Ende biegt sich weiter weg von der Ebene, was für das eine Ende einen kürzeren Weg zu dem Kristall und dem anderen Ende einen längeren Weg für die Lichtstrahlen ergibt.

In der bevorzugten Ausführung wird eine sinusförmige Impulsfolge an die Elektroden des Kristalls in der Resonanzfrequenz angelegt, um beide Enden von der Ruhestellung weg zu deformieren. Jedoch kann in anderen Ausführungen eine Sägezahnfolge oder ähnliches verwendet werden, um den elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22 zu betätigen. Darüber hinaus ist es möglich, andere Ordnungen der Biegeschwingung anstatt der Biegeschwingung erster Ordnung zu verwenden, um andere Lichtmodulationseffekte zu erhalten. Jedoch wird bei der Verwendung von zwei Enden des Kristalls in der bevorzugten Stoß-Zieh-Betriebsweise mit der Resonanzbiegeschwingung erster Ordnung eine gute Korrektur des Temperaturkoeffizienten erhalten, und die geradzahligen und ungeradzahligen harmonischen Fehler sind verhältnismäßig klein.

Der Quarzkristall ist in der bevorzugten Ausführung in einem Winkel von 20° bezüglich der Ebene rechtwinklig zu den Lichtstrahlen befestigt. Dies verringert die Stärke der Biegung, die notwendig ist, um die geeignete Dicke zum Ändern des Durchgangsweges, den die Lichtstrahlen an den beiden Enden passieren, zu erzeugen. Jedoch sind verschiedene Kristalle in verschiedenen Winkeln befestigt, wobei die Winkel und die Anordnung der Fenster an den Kristallen so ausgewählt wird, daß die Phase der Lichtstrahlen um ungefähr pi moduliert wird, wobei der Kristall mit einer Amplitude vibriert, die keine übermäßige Beanspruchung des Kristalls darstellt.

Bei diesem Winkel des Kristalls bei einer extremen Vibration wird der Lichtstrahl 46 durch die maximale Dicke des gebogenen Kristalls 50 zu dem gleichen Zeitpunkt übertragen, zu dem der Lichtstrahl 48 durch die minimale Dicke verläuft. Gleichermaßen läuft der Lichtstrahl 46 durch eine minimale Dicke des Kristalls, wenn bei dem anderen Extrem der Vibration der Lichtstrahl 48 durch die maximale Dicke des Kristalls verläuft. Zwischen diesen beiden Extremen ist der Unterschied in der Dicke des Kristalls und die Unterschiede in den Wegen durch die Räume, die die Strahlen durchqueren, im wesentlichen proportional zu einer phasenbezogenen Spannung, die an den Kristall gelegt wird, da der Unterschied in der Länge exakt proportional den Unterschieden in den Biegewinkeln ist, die proportional dem Wert der Spannung sind, die den Kristall moduliert. Dieses Ergebnis wurde empirisch gefunden und ist aus den Gleichungen, die das Verhältnis zwischen Kristallbewegung und den effektiven Lichtwegänderungen beschreiben, nicht unmittelbar ersichtlich, jedoch haben sich die Ergebnisse aus der Praxis ergeben, was ein überraschendes Ergebnis darstellt.

Da der Brechungsindex des Kristall unterschiedlich von dem der Luft ist, werden die beiden Strahlen zueinander in der Phase moduliert, wenn ein Strahl stärker verzögert wird als der andere. Die Weglängenänderung für einen Strahl, der durch ein Ende des Kristalls entsprechend einem Extrem der Vibrationsauslenkung zum anderen verläuft, kann einer halben Wellenlänge des 628 nm-Lichtes gleich sein, was 314 nm entspricht. Dies erzeugt eine Lichtstrahlphasenmodulation von 2 pi, was eine gesamte Wellenlänge ist.

Der Winkel des Kristalls 50 bezüglich der Lichtstrahlen wird gemäß den Gegebenheiten, wie beispielsweise den Ausmaßen des Kristalls, dem Verhältnis des Brechungsindex des den Kristall umgebenden Mediums zu dem Kristall selbst, gemäß der Stelle, an der die Lichtstrahlen den Kristall treffen, oder gemäß der Art, in der der Kristall erregt wird, ausgewählt. Tatsächlich muß der Kristall nicht unbedingt in einigen Anordnungen einen Winkel aufweisen, beispielsweise wenn ein Lichtstrahl durch die Mitte des Kristalls verläuft und ein weiterer durch ein Ende des Kristalls. Jedoch muß der Kristall und das Verhältnis der Brechungsindices von Luft zu dem Kristall derart sein, daß eine adäquate Phasenverschiebung, die in der Größenordnung von pi liegt, erreicht wird.

Kristalle mit einer Dicke von 0,38 mm, einer Länge von 2,5 cm, einem Brechungsindex von 1,55 und einer Biegung von plus oder minus 0,18° reichen für diesen Zweck völlig aus, wenn sie mit einem Licht von 628 nm Wellenlänge von einem Helium-Neongaslaser bestrahlt werden, dessen Strahl moduliert werden soll. Falls andere Wellenlängen verwendet werden, können andere Winkel oder andere Dicken des Kristalls notwendig werden, um die erforderliche Verzögerung für die unterschiedlichen Lichtwellenlängen zu liefern. Die notwendige Vibrationsgröße ist leicht mit Quarzkristallen zu erreichen, die in der Längen- und Dickenbiegung in der ersten Ordnung vibrieren.

Für kleinere Vibrationen ist der Einfallswinkel der Lichtstrahlen 46 und 48 auf die Enden des Kristalls 50 linear proportional zu der Biegung an dem Ende des Kristalls, die ihrerseits durch die Beanspruchung in dem Kristall verursacht wird, die durch das elektrische Feld erzeugt wird, das durch die Erregungselektroden 56 A und 56 B und 58 A und 58 B angelegt wird. Mit einer geeignet ausgelegten Schaltung existiert ein festes Phasenverhältnis zwischen der Spannung an den Erregungselektroden 56 A, 56 B und 58 A, 58 B und der Vibration des Kristalls. Somit kann, da kleine Amplituden der Kristallvibration (gewöhnlich eine Biegung von weniger als 1°) verwendet werden, die Winkelstellung der Enden des Kristalls in linearer Beziehung zu der Erregungsspannung an dem Kristall kann als ein Phasenreferenz verwendet werden, da sie als eine Kristallstellungsreferenz verwendet werden kann. Jedoch können auch andere Arten von Phasen und Stellungsreferenzen verwendet werden. Ein naheliegender Weg ist es, einen dritten Lichtstrahl von dem Ende des Kristalls zu reflektieren und den Winkel des reflektierten Strahls fotoelektrisch zu messen.

Das lineare Verhältnis zwischen der Erregungsspannung oder der Winkelstellung des Kristalls und der optischen Weglängenmodulation ist ein vollständig unerwartetes Ergebnis. Die Gleichung für Änderungen in einer der optischen Weglängen bezüglich des Einfallswinkels des Strahls zu dem Kristall, wenn ein Ende des Kristalls durch unterschiedliche Beträge von der Normalen während der Modulation abweicht, ist eine nicht lineare Funktion des Einfallswinkels oder der Winkelabweichung aufgrund der Vibration. Die Gleichung für die Änderung in der optischen Weglänge eines der Strahlen ist in Gleichung 1 gezeigt, und die Gleichung für die unterschiedliche Weglängenänderung ist in Gleichung 2 gezeigt.

Gleichung 1

wobei:

δ = Änderung in der optischen Weglänge bei nur einem der Lichtstrahlen Φ = Winkel des Kristalls in Ruhestellung zu den Lichtstrahlen R = Winkel des einen Endes des Kristalls bei maximaler Auslenkung zur Ruhestellung n = Brechungsindex des Kristalls t = Dicke des Kristalls

Gleichung 2 Δ = δ (+ R) - δ (-R)

wobei:

Δ = die differentielle Weglängenänderung ist, die die Gesamtphasendifferenz zwischen den beiden Lichtwegen verursacht.

Eine Überprüfung dieser Gleichungen würde zuerst den Anschein erwecken, als ob wesentliche gerade und ungerade harmonische Störungen in der Weglängenmodulation bezüglich dem Potential, das ursprünglich die Modulation erzeugt, existierten. Jedoch fallen durch die Verwendung beider Kristallenden Nichtlinearitäten, die als Störungen zweiter Ordnung oder geradzahlig harmonischer Art beschrieben werden können, weg. Noch überraschender machen jedoch eine erste Prüfung der Gleichungen 1 und 2 nicht deutlich, daß die ungeradzahligen harmonischen wegfallen. Es ist nicht zu erwarten, daß ungeradzahlige Harmonische in transzendentaler Gleichung wegfallen, außer bei einer sehr ungewöhnlichen Gleichung, die den Einfallswinkel auf Erregungsspannung bezieht. Es ist notwendig, daß die Gleichung eine gerade Funktion ist, um derartige ungeradzahlige Harmonische zu vermeiden, jedoch verhalten sich die Gleichungen 1 und 2 überraschenderweise als eine gerade Funktion und noch genauer im wesentlichen als eine Funktion zweiter Ordnung oder Quadratfunktion.

Es wurde herausgefunden, daß die Nichtlinearität des Verhältnisses zwischen Phase und der Winkelbewegung an einem Ende des Quarzkristalls 50 fast exakt durch den nicht linearen Effekt in der Phase des Lichtstrahls am entgegengesetzten Ende des Kristalls 50 kompensiert wird. Mit anderen Worten ist der optische Weglängenunterschied, der durch die Vibration des Kristalls verursacht wird, direkt und linear proportional der Verschiebung des Quarzkristalls während der Schwingung. Ein Wegfall der Fehler durch geradzahlig harmonische Störungen findet vermutlich aufgrund der Symmetrie der Lichtstrahlen an den entgegengesetzten Enden des Kristalls statt, das Wegfallen der Fehler aufgrund der ungeradzahlig harmonischen Störungen tritt jedoch üblicherweise nicht unter Umständen wie dieser Art von Symmetrie auf. Jedoch zeigen eine Computersimulation und die tatsächliche Erfahrung, daß ein derartiges Wegfallen existiert.

Die Auswahl des Winkels des Kristalls in seiner Ruhestellung bezüglich der Lichtstrahlen ist ein Kompromiß zwischen (1) einem großen Winkel, der den Vorteil einer größeren Änderung in der optischen Weglänge bei der gleichen Kristallbiegung im Gegensatz zu kleineren Winkeln des Kristalls bei Ruhestellung bezüglich der Lichtstrahlen besitzt, und (2) kleineren Winkeln, die leichter zu befestigen sind und weniger Raum beanspruchen. Ein Einfallswinkel von 20° wird bevorzugt. Ein im wesentlicher vollständiges Wegfallen von Fehlern liegt bei allen außer sehr kleinen Winkeln vor, und bei kleinen Winkeln muß der Kristall, um eine gute Modulation zu erhalten, zu einem Punkt erregt werden, bei dem er zerstört oder beschädigt werden kann.

Diese Arbeitsweise der Phasenmodulation hat die Vorteile, daß eine geringe Verzerrung bei vielen Anwendungen vorgesehen ist, bei denen Information durch die zueinander modulierten Lichtstrahlen übertragen wird, beispielsweise wo das Modulationssignal auf dem Leiter 36 eine zu übertragende Information enthält und in einer entfernten Station, wo die Strahlen verglichen werden, interpretiert wird.

Im Betrieb werden zwei monochromatische Lichtstrahlen gebildet und an den Phasenmodulator gelegt, der sie gemäß einem an den Leiter 36 in der in Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Art angelegten Signal phasenmoduliert.

Um die beiden monochromatischen Lichtstrahlen zu bilden, erzeugt die Lichtquelle 18, die ein Helium-Neonlaser mit einer starken Spektrallinie bei 628 nm der bevorzugten Ausführung ist, Licht, das in zwei Strahlen durch den Mach-Zehnder-Strahlleiter 20 aufgeteilt wird.

In der Ausführung gemäß Fig. 2 werden die beiden monochromatischen Lichtstrahlen 46 und 48 durch die jeweiligen Enden des Quarzkristalls 50 geführt, der in einem Winkel von 20° zu den Lichtstrahlen angeordnet ist. Das sinusförmige Signal auf dem Leiter 36 wird an die Scherelektroden gelegt, wobei ein dem an die Elektroden 56 B und 58 A angelegtes entgegengesetztes Potential an die Elektroden 56 A und 58 B gelegt wird, um eine Scherdickenbeanspruchung zweiter Ordnung in dem Kristall zu induzieren. Der Kristall wird zu Vibrierung in der Biegevibration erster Ordnung durch die Scherbeanspruchung bei der gleichen Frequenz erregt, die die Biegeresonanzfrequenz ist, auf die der Quarzkristall 50 zugeschnitten ist, so daß die beiden Lichtstrahlen durch unterschiedliche Dicken des Quarzes während der sinusförmigen Modulation laufen, was eine Phasenmodulation der Strahlen zueinander ergibt.

In Fig. 3 ist eine Ausführung des optischen Weglängensensors 14 A dargestellt, wobei die Strahlenzusammenführung angeordnet ist, um (1) Licht zu empfangen, das durch eine duale Flußzelle 24 A verläuft; (2) nach der Lichtaufnahme die Lichtstrahlen zusammenführen, und (3) die zusammengeführten Lichtstrahlen zu dem Lichtsensor 28 zu übertragen, der eine Fotozelle sein kann.

Um die Lichtstrahlen mit einer Information zu modulieren, die das ausfließende Medium betrifft, besitzt die duale Flußzelle 24 A einen ersten Flußweg 68 und einen zweiten Flußweg 70, wobei der erste Flußweg 68 mit einem Einlaß 72 und einem Auslaß 74 für den Durchfluß eines Lösungsmittels in Verbindung steht und der zweite Flußweg 70 mit einem Einlaß 76 und einem Auslaß 78 für den Durchfluß eines Lösungsmittels und des Ausflußmediums.

Um die Lichtstrahlen zusammenzuführen und ein elektrisches Signal zu erzeugen, das den Brechungsindex des Ausflußmediums repräsentiert, ist die Strahlenzusammenführung 26 eine Mach- Zehnder-Strahlenzusammenführung mit einem Spiegel 26 A und einem Strahlteiler 26 B, wobei der Flußweg 68 und der Strahlteiler 26 der Mach-Zehnder-Strahlenzusammenführung 26 in dem Lichtstrahl 46 angeordnet ist und der zweite Flußweg 70 und der Spiegel 26 A der Mach-Zehnder-Strahlenzusammenführung 26 in dem Lichtstrahl 48 liegt, so daß beide Lichtstrahlen in der Strahlenzusammenführung kombiniert werden und an den Lichtsensor 28 gelegt werden, wodurch als Ergebnis ein Interferenzmuster von der Zusammenführung der Lichtstrahlen auf dem Lichtsensor 28 geformt wird.

Ähnliche Mach-Zehnder-Elemente werden in dem Spiegel 26 A und dem Strahlteiler 26 B (Fig. 3) und dem Spiegel 42 und dem Teiler 40 verwendet, und die Elemente sind derart angeordnet, daß die beiden optischen Weglängen gleich sind, wodurch die Kalibrierung vereinfacht wird und Fehler aufgrund von Änderungen des Brechungsindex der Luft in den optischen Wegen und aufgrund von winzigen Wellenlängenänderungen in den Spektrallinien des Lasers verringert werden.

In Fig. 4 ist eine Indikatorschaltung 16 gezeigt, die einen Modulationssignalgenerator 32 und ein Phasenmeter 34 aufweist, wobei der Modulationssignalgenerator 32 in der bevorzugten Ausführungsform ein Sinusgenerator ist. Das Phasenmeter 34 besitzt einen Impulsgenerator 80, einen Flip-Flop 82 und ein Meßgerät 84. Das Phasenmeter 34 ist mit dem Leiter 30 verbunden, um Impulse aufzunehmen, die das Interferenzmuster anzeigen, und der Modulationssignalgenerator 32 erzeugt die modulierenden Signale, die über den Leiter 36 zu dem elektrischen Strahlphasenrelationsmodulator 22 (Fig. 1) und den Phasenmeter 34 über den Leiter 38 geführt werden. Mit diesen Verbindungen vergleicht das Phasenmeter 34 das Modulationssignal auf dem Leiter 38 mit dem Interferenzmuster, und aus diesem Vergleich bestimmt sie die Phasenverschiebung und damit in Beziehung stehenden Größen.

Um Impulse zu erzeugen, die zu der Phasenverschiebung in den Lichtstrahlen in einem zeitlichen Verhältnis stehen, besitzt der Torimpulsgenerator 80 zwei Schmitt-Trigger 86 A und 86 B, wobei der Schmitt-Trigger 86 A mit seinem Eingang am Leiter 30 und der Schmitt-Trigger 86 B mit seinem Eingang über einen Inverter 85 am Leiter 30 liegt. Der Ausgang des Schmitt-Triggers 86 A ist elektrisch mit dem Seteingangsanschluß des Flip-Flops 82 über die Reihenverbindung des Differenziergliedes 87 A und die Durchlaßrichtung einer Diode 89 A, die in der genannten Reihe angeschlossen sind, verbunden, und der Ausgang des Schmitt-Triggers 86 B liegt an dem Seteingangsanschluß des Flip-Flops 82 über die Reihenverbindung des Differenziergliedes 87 B und die in Durchlaßrichtung betriebene Diode 89 B. Die Differenzierglieder 87 A und 87 B besitzen jeweils einen Kondensator 88 A bzw. 88 B und einen Widerstand 90 A bzw. 90 B, wobei die Kondensatoren 88 A und 88 B mit dem einen Pol an dem Ausgang des entsprechenden Schmitt-Triggers 86 A und 86 B und mit dem anderen Pol sowohl über den Widerstand 90 A bzw. 90 B an Erde als auch der Anode der entsprechenden Diode 89 A bzw. 89 B liegen.

Um eine elektrische Spannung zu erzeugen, die die Phasenverschiebung der Lichtstrahlen von den Taktimpulsen, die durch den Torimpulsgenerator 80 erzeugt werden, darstellen, arbeitet das Flip-Flop 82 in üblicher Weise, um ein analoges Ausgangssignal zu erzeugen, das der Zeit proportional ist, mit der ein Tor- oder Gateimpuls von dem Torimpulsgenerator 80 dem Start eines Referenzzeitsignals nacheilt, wie beispielsweise dem Start jedes Wechselspannungszyklus von dem Modulationssignalgenerator 32.

Um die Analogspannung anzuzeigen, die die durch ein Extraktionsmittel verursachte Phasenverschiebung darstellt, kann die Meßschaltung 84 ein übliches Gleichspannungsvoltmeter besitzen, dessen Ansprechgeschwindigkeit sehr viel langsamer als die Frequenz des Modulationssignalgenerators 32 ist. Das Voltmeter erfaßt die Durchschnittsspannung von dem Flip-Flop 82, so daß das Voltmeter einen Wert anzeigt, der äquivalent der durch die Änderung des Brechungsindex in der Flußzelle beim Durchfluß eines Lösungsmittels verursachten Phasenverschiebung ist.

Falls eine Phasenverschiebungsanzeige vorliegt, wenn die beiden Lichtwege nominell gleich sind, kann dies durch eine geeignete Kompensierungsplatte in einem der geteilten Lichtstrahlen korrigiert werden, indem eine den Meßwert verschiebende Vorrichtung in der Meßschaltung 84 aufgenommen wird oder ein Phasenverschiebungsnetzwerk in dem Leiter 38 eingeführt wird. Falls ein doppelbrechender Modulator anstelle eines vibrierenden Kristalls verwendet wird, kann es vorteilhaft sein, einen Sägezahngenerator als Modulationssignalgenerator 32 und ein anderes geeignetes Phasenmeter 34 zu verwenden.

Die Natur der fast linearen Beziehung zwischen dem Zeitpunkt der Nulldurchgänge des Signals auf dem Leiter 30 und der Phasendifferenz zwischen den beiden Lichtwegen ist weniger offensichtlich als man denken könnte. Falls die Modulation sinusförmig ist, besteht die verhältnismäßig komplexe Wellenform auf dem Leiter 30 aus Harmonischen der Modulationsfrequenz, deren Größen ohne Berücksichtigung der Effekte der gemessenen optischen Weglängenänderungen Bessel-Funktionen der ersten Art sind, wobei die Ordnung die Ordnung jeder Harmonischen ist und das Argument die Größe der Phasenmodulation, die den Lichtstrahlen durch den Strahlphasenrelationsmodulator aufgeprägt wird. Der Effekt der gemessenen Änderung in den optischen Weglängen liegt darin, die ungeradzahligen Harmonischen mit dem Kosinus der Phasendifferenz zu multiplizieren, die von der zu messenden Weglängenänderung bezogen wird, und die geradzahligen Harmonischen mit dem Sinus der gleichen Phasendifferenz zu multiplizieren. Falls alle Harmonischen mit Ausnahme der ersten und zweiten durch Filtern entfernt werden, ohne daß die Phase oder die zeitliche Beziehung zwischen der ersten und der zweiten Harmonischen geändert wird, ist die Phase des Signals auf dem Leiter 30, wie es durch die Anordnung von einigen der Nullkreuzungszeitpunkte gebildet wird, fast linear proportional zur Weglängendifferenz, vorausgesetzt, daß der Strahlenphasenrelationsmodulator zur Bildung einer gewissen optimalen Modulationsgröße gesetzt ist. Abhängig von der Frequenzflachheit oder seitlichen Unterdrückung bei der Filterung des Signals von dem Lichtsensor beträgt die Modulationsgröße etwa ±1,8 Radiant. Die Phasen jeder der verschiedenen Harmonischen variieren nicht von selbst, wenn sich der Lichtwegunterschied ändert, nur die Nulldurchgänge der resultierenden Sinuswelle ändern sich. Die Phase des modulierenden Signals auf dem Leiter 38 kann variiert und derart gesetzt werden, daß das Phasendetektor-Flip-Flop 82 in diesem Linearübertragungsbereich arbeitet.

Im Betrieb wird die Spannung von dem Lichtsensor 28 (Fig. 1) an den Leiter 30 gelegt, die das Phasenverhältnis zwischen den beiden Lichtstrahlen in Abhängigkeit von einem Interferenzmuster auf dem Lichtsensor darstellt. Diese Spannung wird zu den Schmitt-Triggern 86 A und 86 B, geführt, die jeweils Zeitimpulse bei jedem positiv zu Null Übergangspunkt und negativ zu Null Übergangspunkt der Spannung auf dem Leiter 30 erzeugen, die die maximale Dunkelheit mal den Interferenzstreifen anzeigt. Die zeitliche Anordnung der Impulse im Verhältnis zu der Spannung der Sinuswelle des Modulationssignalgenerators 32 zeigt den Betrag der Verschiebung der modulierten Lichtstrahlen an, die durch ein Abflußmedium in einer der Flußzellen der dualen Flußzelle 24 verursacht wird.

Diese Zeitimpulse werden differenziert und zu dem Resetanschluß des Flip-Flops 82 geführt, was eine Auslese liefert, die auf dem Verhältnis ihrer zeitlichen Lage relativ zu der zeitlichen Lage der Wechselspannung von dem Generator 32 beruht. Falls die durch die Flüssigkeit in der dualen Flußzelle verursachte Phasenverschiebung den normalen Maßstab überschreitet, überquert ein weiterer Interferenzstreifen den Lichtsensor, was einen Impuls erzeugt, der das Flip-Flop zu einem früheren Zeitpunkt zurücksetzt und resetet, was eine niedrigere Spannungsauslese verursacht. Diese niedrigere Spannungsauslese dient als automatische Faltung oder Anpassung des Maßstabs, so daß eine Anzeige andauernder Änderungen gegeben ist, obwohl der Maßstab des Meßgerätes 84 überschritten wurde.

Die analoge Spannung kann auch verstärkt werden, bevor sie Meßgerät 84 zugeführt wird, so daß der volle Skalenausschlag weniger als einen Streifen beträgt. Jedoch wird in solchen Fällen die automatische Skaleneinstellung schwierig, obwohl es mit einem geeigneten Aufbau nicht unmöglich ist. Natürlich kann ein Aufzeichnungsgerät vorgesehen werden, um die Impulsfolge aufzuzeichnen.

Obwohl ein Flip-Flop 82 in den bevorzugten Ausführungen beschrieben wurde, um den Zeitunterschied zwischen einem modulierenden Impuls und einem Streifen zu einer Amplitudenspannung zu konvertieren, sind andere Arten von Konvertern möglich. Tatsächlich können andere Phasenmeter anstelle des Phasenmeters 34 verwendet werden.

Claims (5)

1. Interferometer zur Bestimmung der effektiven optischen Weglänge durch eine zu analysierende, unbekannte Flüssigkeitsprobe in einer optischen Anordnung (12, 14), die einen ersten Lichtstrahl durch eine Referenzprobe und einen zweiten Lichtstrahl durch die unbekannte Flüssigkeitsprobe leitet; mit einem Phasenmodulator (22) zur Phasenmodulation des ersten und zweiten Lichtstrahls in Bezug aufeinander und in Abhängigkeit von einem Modulationssignal zur Lieferung einer Veränderung des Unterschiedes zwischen den optischen Weglängen des ersten und des zweiten Lichtstrahls; mit einer der Referenzprobe und der unbekannten Flüssigkeitsprobe nachgeschalteten Einrichtung (26) zur Zusammenfassung des ersten und des zweiten Lichtstrahls, um ein Interferenzmuster zu erhalten; mit einem Detektor (28) zum Erzeugen eines elektrischen Signals, das den Veränderungen in der Lichtintensität im Interferenzmuster entspricht; und mit einem Vergleicher (34), der das Interferenzmustersignal mit dem Modulationssignal vergleicht, um ein Vergleichssignal zu liefern, das den Brechungsindex der unbekannten Flüssigkeitsprobe anzeigt, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator (22) ein piezoelektrisches Element (50) mit durchlässigen Bereichen (52, 54), durch welche mindestens einer der Lichtstrahlen zur Modulierung durchtritt, und Mittel zur Biegungsvibration des piezoelektrischen Elements (50) aufweist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das piezoelektrische Element (50) ein in Y-Richtung geschnittener Quarzkristall ist.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulationssignalquelle (32) ein Modulationssignal bei der Biegungsresonanzfrequenz der ersten Ordnung des piezoelektrischen Elements (50) erzeugt.

4. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulationssignalquelle (32) ein Wechselstrom-Modulationssignal in Form einer Sägezahnschwingung erzeugt.

5. Interferometer nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß beide Lichtstrahlen durch die durchlässigen Bereiche (52, 54) des piezoelektrischen Elements (50) treten.