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Interferenzanordnung zur Herstellung von Beugungsgittern Bekanntlich
entsteht in einem Gebiet, das von zwei kohärenten spaltförmigen Lichtquellen ausgeleuchtet
wird, ein Interferenzfeld. Sorgt man insbesondere dafür, daß die Spalte im Unendlichen
liegen, so besteht das Interferenzfeld aus einem System von geraden und äquidistanten
Streifen. Stellt man in ein solches Streifensystem eine fotografische Platte genügend
steiler Gradation, so wird man auf der Platte nach der Entwicklung ein System von
äquidistanten Strichen erhalten. Dieses Strichsystem kann dann je nach Verarbeitung
der fotografischen Platte als Amplituden- oder Phasengitter in Reflexion oder Transmission
benutzt werden.
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Interferenzanordnungen zur Herstellung von Beugungsgittern sind bereits
bekanntgeworden. Die optische Anordnung besteht dabei aus einem Spiegelsystem nach
Lloyd oder einer Fresnelschen Interferenzanordnung. Die kohärenten Lichtquellen
sind durch Linsen oder Spiegel ins Unendliche verlegt. Die Nachteile dieser Anordnung
sind folgende: Wenn Beugungsgitter hinreichender Größe hergestellt werden sollen,
muß die Abmessung der Apparatur entsprechend groß sein. Das bedeutet, daß auch sehr
große Planflächen verwendet werden müßten, die sich aber in der geforderten Genauigkeit
nur sehr schwer herstellen lassen. Davon abgesehen, geht bei der Lloydschen Anordnung
der Kontrast der Interferenzstreifen bei größeren Gangunterschieden durch Schwebung
zwischen den von den beiden Spaltbacken ausgehenden Lichtbündeln periodisch verloren.
Bei der Fresnelschen Anordnung wird der durch die Fläche des Kollimatorobjektivs
festgelegte Kohärenzbereich nur zur Hälfte wirklich ausgenutzt (vgl. deutsche Patentschrift
1013 436).
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An eine Interferenzanordnung, die für den obengenannten Zweck vorgesehen
ist, müssen grundsätzlich folgende Forderungen gestellt werden: a) Die gesamte Fläche
des Kollimatorobjektivs muß kohärent ausgeleuchtet sein, damit Interferenz im gesamten
ausgeleuchteten Bereich stattfindet.
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h) Die Ebenheit der reflektierenden, brechenden und teildurchlässigen
ebenen Flächen muß extrem hoch sein, damit die Gitterstriche hinreichend genau äquidistant
und gerade werden.
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c) Die Öffnungsfehler der Linsen müssen optimal korrigiert werden.
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Diese Forderningen werden in einer Interferenzanordnung zur Herstellung
von Beugungsgittern erfindungsgemäß dadurch erfüllt, daß ein Strahlenteiler kleiner
Bauart, bezogen auf den maximalen Durchmesser des Interferenzfeldes, vorgesehen
ist, dem in beiden Teilstrahlen Umlenkspiegel und vergrößernde Abbildungssysteme
nachgeordnet sind. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die vergrößernden Abbildungssysteme
afokal sind. Durch den Strahlenteiler wird dann kein Astigmatismus erzeugt. In dem
einen Teilstrahlenbündel, vorzugsweise in dem durch den Strahlenteiler tretenden
Bündel, kann der Umlenkspiegel durch zwei spiegelnde Flächen ersetzt sein. Dann
ist es zweckmäßig, in dem anderen Teilstrahlenbündel Kompensationsmittel wie z.
B. schwenkbare Planparallelplatten oder Doppelkeile anzuordnen. Die afokalen Abbildungssysteme
können astronomische Fernrohre oder umgekehrte Galilei-Fernrohre sein. Eine ebenfalls
vorteilhafte Anordnung besteht darin, daß in dem einen Teilstrahl ein astronomisches
und in dem anderen Teilstrahl ein Galilei-Fernrohr angeordnet ist. In diesem letzteren
Falle ist darauf zu achten, daß die optischen Wege in beiden Teilstrahlen ungefähr
gleich sind.
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In der Zeichnung sind vier Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Fig. 1 zeigt die Anordnung der optischen Elemente bei Verwendung von
astronomischen Fernrohren, Fig. 2 die gleiche Anordnung, jedoch mit einem astronomischen
Fernrohr in dem einen und ein Galilei-Fernrohr in dem anderen Teilstrahlengang,
Fig. 3 eine Anordnung mit Galilei-Fernrohren, zwei spiegelnden Flächen in dem einen
Teilstrahlengang und Kompensationsmittel in dem anderenTeilstrahlengang und Fig.
4 die Anordnung der optischen Elemente bei fokalem Strahlengang.
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Die Lichtquelle l wird durch die Kondensorlinse 2 auf den Spalt 3
abgebildet. Das Kollimatorobjektiv 4 erzeugt ein paralleles Strahlenbündel, das
an dem halbdurchlässigen Teilerelement 5 in zwei Teilstrahlenbündel aufgespalten
wird. Das reflektierte Strahlenbündel wird durch den Spiegel 6, das durchtretende
Strahlenbündel durch den Spiegel 7 so abgelenkt, daß sich beide unter einem Winkel
durchdringen. Im
Durchdringungsbereich dieser Strahlenbündel entsteht
ein Interferenzfeld. Durch Anordnung eines astronomischen Fernrohres, das aus den
Linsen 8 und 9 besteht, in dem einen Teilstrahlenbündel und eines weiteren astronomischen
Ferriröhres, bestehenden aus den Linsen 10 und 11, in denn anderen Teilstrahl wird
eine Vergrößerung des InterferenzfeIdes in dem Maße erreicht, wie die astronomischen
Fernrohre vergrößern. In der Ebene des maximalen Durchmessers des Interferenzfeldes
ist eine fotografische Platte 12 angeordnet. Auf dieser entstehen Interferenzstreifen
in dem Abstand d = Ytan a, d. h. je größer der Durchdringungswinkel und je kleiner
die Wellenlänge A des interferierenden Lichtes ist, desto kleiner wird die Gitterkonstante
d des auf der fotografischen Platte 12 entstehenden Gitters.
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Als Lichtquelle verwendet man am besten z. B. eine Krypton- oder Quecksilberisotopenlampe.
Durch Einschalten eines Monochromators oder eines entsprechend wirkenden Filters
13 in den Beleuchtungsstrahlengang zwischen Lichtquelle 1 und Spalt
3 wird aus dem Spektrum dieser Lampe eine Spektrallinie mit extrem kleiner
Linienbreite herausgefiltert. Das Licht solcher Linien ist noch bei sehr großen
Gangunterschieden z. B. von etwa 106 Wellenlängen interferenzfähig, so daß
sich bis zu 2 - 106 Streifen im Interferenzfeld erzeugen lassen. Die Vorteile
dieser Anordnung bestehen darin, daß das Kollimatorobjektiv4, das Teilerelement
5 und die Spiegel 6 und 7 klein dimensioniert werden können. Das bedeutet, daß Tellerelement
5 und Spiegel 6 und 7 auch mit ausreichender Genauigkeit hinsichtlich ihrer Ebenheit
herausgestellt werden können. Die Qualität des Strichsystems auf der fotografischen
Platte hängt damit praktisch nur davon ab, ob es gelingt die Fernrohre in den Teilstrahlengängen
optimal zu korrigieren. Bei Objektivöffnungen von der Größenordnung der nötigen
Gitterabmessungen kann mit verhältnismäßig kleinen Öffnungsverhältnissen gearbeitet
werden, da die Brennweite keiner besonderen Forderung unterworfen ist.
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In der Anordnung nach Fig.2 ist in einem Teilstrahl ein umgekehrtes
Galilei-Fernrohr, das aus den Linsen 14 und 15 besteht, und in dem anderen Teilstrahl
ein astronomisches Fernrohr, bestehend aus den Linsen 16 und 17 vorgesehen. Es ist
dabei darauf zu achten, daß die optischen Wege in beiden Teilstrahlen ungefähr gleich
sind. Die Vergrößerung der beiden Fernrohre muß selbstverständlich die gleiche sein.
Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß zwei am Strahlenteiler 5 aufgespaltene Strahlen
in der Ebene des maximalen Durchmessers des Interferenzfeldes wieder zusammentreffen.
Das ist der Fall für jeden durch den Spalt 3 tretenden Strahl, sofern er in der
Zeichenebene liegt so daß der Spalt weit geöffnet sein kann. Für die nicht in der
Zeichenebene liegenden Strahlen muß die übliche Kohärenzbedingung erfüllt sein.
Da jedoch die Längsausdehnung des Gitters wesentlich größer ist als die Querausdehnung,
sind geringere Ansprüche an die Kohärenzbedingung erforderlich.
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In Fig. 3 sind an Stelle der astronomischen Fernrohre umgekehrte Galilei-Fernrohre
verwendet. Diese bestehen für den einen Teilstrahl aus der Negativlinse 21 und der
Positivlinse 22 und für den anderen Teilstrahl aus der Negativlinse 23 und der Positivlinse
24. In dem Strahlengang des durch den Strahlenteiler 5 tretenden Bündels sind statt
eines einzigen Ablenkspiegels zwei Ablenkspiege118 und 19 angeordnet. Damit wird
erreicht, daß sämtliche am Strahlenteiler 5 aufgespaltenen Strahlen in der Ebene
des maximalen Durchmessers des Interferenzfeldes, in der die fotografische Platte
12 angeordnet ist, wieder zusammentreffen, d. h., die Kohärenzbedingung ist auf
jeden Fall erfüllt. Damit keine Verschiebung der Interferenzstreifen hinsichtlich
der Nullage auftritt, ist es zweckmäßig, in dem anderen Teilstrahlengang Kompensationsmittel,
wie z. B. die schwenkbare Planparallelplatte 20, anzuordnen.
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Selbstverständlich kann in der Anordnung nach Fig. 1 das afokal wirkende
astronomische Fernrohr durch ein fokales System ersetzt werden. Das ist in Fig.
4 dargestellt. Der Spalt 3 wird durch das Objektiv 4 am Strahlenteiler 5 in die
beiden kohärenten Spaltbilder 25 und 26 aufgespalten. Die von diesen Spaltbildern
ausgehenden Strahlen werden durch die Ablenkspiegel 6 und 7 zusammen gelenkt und
durch die Linsen 27 und 28 parallel gemacht. Bei der Korrektion des Systems sind
die vom Strahlenteiler 5 verursachten astigmatischen Fehler zu berücksichtigen.
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Will man die Beugungsgitter mit einer großen Zahl von Gitterstrichen
herstellen. so ist eine starke Monochromasie des Lichtes erforderlich. Starke Monochromasie
ist aber mit kleiner Leuchtdichte der Lampe verknüpft. Durch die Kohärenzbedingungen
ist die Lichtstärke der Anordnung ebenfalls begrenzt. Es sind also 'lange Belichtungszeiten
für die fotografische Platte zu erwarten, d. h., der Aufbau der Anordnung muß sehr
stabil sein und in einem temperaturkonstanten Raum erfolgen, der frei von Luftschlieren
ist.
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Man könnte zunächst daran denken, die optische Anordnung dadurch etwas
zu vereinfachen, daß man statt der beiden Linsen 9 und 11 eine gemeinsame Linse
vorsieht. Das ist aber aus Korrektionsgründen nicht vorteilhaft. Bei Verwendung
von zwei Linsen ist für diese lediglich der Öffnungsfehler zu korrigieren; eine
Korrektion für schräg einfallende Lichtstrahlen erübrigt sich.
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Zur Gitterherstellung kann die normale fotografische Gelatineemulsion
verwendet werden, die entweder Amplitudengitter im Durchlaßbereich der Gelatine
herzustellen gestattet oder Phasengitter erzeugt, in dem die Dickenmodulation der
fotografischen Schicht durch den Entwicklungsprozeß ausgenutzt wird und anschließend
ein Spiegel auf der Schichtoberfläche erzeugt wird. Sehr geeignet sind auch alle
lichtempfindlichen Substanzen, die nach der Belichtung zu Reliefbildern entwickelbar
sind. Die erhaben stehenbleibenden Gitterstege können als Abdeckung bei Ätzprozessen,
Aufdampfung im Hochvakuum oder galvanischer Weiterbehandlung der Oberfläche dienen.
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Lichtempfindliche Gläser, z. B. silberhaltiges Borsilikatglas, eignet
sich besonders gut für die Herstellung von Beugungsgittern. Das silberhaltige Borsilikatglas
bedeckt sich bei Belichtung mit einer spiegelnden Silberschicht. Die so entstehenden
silbernen Gitterstriche können geschwärzt werden, und eine Nachbelichtung ergibt
spiegelnde Zwischenräume. Auf diesem Wege entsteht also ein Reflexionsgitter, das
gegen weiteren Lichteinfluß beständig ist.
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Die Interferenzerscheinung kann auch zur fotoelektrischen Steuerung
des Vorschubs einer Gitterteilmaschine verwendet werden, in dem ein über viele Interferenzstreifen
mittelndes Abtastgitter den Vorschub des Beugungsgitterträgers über eine fotoelektrische
Abtastvorrichtung steuert.