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Vorrichtung zur Halterung, Justierung und Verschiebung mindestens
einer von zwei nach Fabry-Perot angeordneten optischen Platten Die Erfindung betrifft
eine Vorrichtung in Form eines offenen prismatischen Hohlkörpers zur Halterung,
Justierung und Verschiebung mindestens einer von zwei nach Fabry-Perot angeordneten
optischen Platten auf elektromechanischem Wege.
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Es sind schnellregistrierende Fabry-Perot-Interferometer bekanntgeworden,
bei denen der Plattenabstand magnetostriktiv oder elektrostriktiv geändert wird.
Dabei wird die Abstandsänderung durch geeignete Schwinger hervorgerufen. Infolge
der unvermeidbaren Trägheitskräfte werden die Fabry-Perot-Platten durchgebogen,
und die Apparatefunktion eines derartigen Interferometers wird unkontrollierbar
verändert. Die Änderung des Plattenabstandes ist genaugenommen nur in der unmittelbaren
Umgebung der Gleichgewichtslage zeitlich konstant. Ein Teil der Schwingungsenergie
wird durch die innere Reibung in Wärme umgewandelt und verursacht eine Längenänderung
des Plattenträgers bzw. eine Abstandsänderung der Fabry-Perot-Platten. Die angeführten
Störgrößen erhöhen die Meßunsicherheit dieser Interferometer, die deshalb nur für
Routineuntersuchungen geeignet sind.
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Für spektroskopische und metrologische PräzXisionsmessungen sind dagegen
Interferometer mit einer größeren Meßgenauigkeit und mit erfaßbaren und ausschaltbaren
Störgrößen erforderlich.
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Es ist auch schon eine Laseranordnung bekanntgeworden, bei der jede
Fabry-Perot-Platte mit Hilfe von drei federnden Klammern gegen eine Trägerplatte
gepreßt wird und bei der die Trägerplatten über vier magnetostriktive Stäbe verbunden
sind.
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Die Trägerplatten sind an die Stäbe geschraubt.
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Eine derartige Anordnung gewährleistet wegen der bei der mechanischen
Verbindung der einzelnen Teile zwischen den Teilen sich ausbildenden Luftpolster
und anderer, durch Drücke, Temperaturdifferenzen und Materialhomogenitäten bedingter
mechanischer Störgrößen die für Präzisionsmessungen erforderliche Genauigkeit und
Reproduzierbarkeit nicht. Die Luftpolster haben ihre Ursache in differentiellen
Unebenheiten der Andruckflächen und in mikroskopischen Partikeln zwischen den Andruckflächen.
Sie könnten nur durch höhere, zu größeren Verspannungen Anlaß gebende Drücke beseitigt
werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht in der Schaffung einer einfachen
und zugleich stabilen Vorrichtung zur Halterung, Justierung und Verschiebung von
Fabry-Perot-Platten, bei der einerseits Schwingungen nicht auftreten und andererseits
mechanische Halterungselemente zwischen den elektro-
mechanisch veränderbaren Teilen
und der bzw. den Fabry-Perot-Platten vermieden werden.
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Gemäß der Erfindung wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß
die Mantelfläche des Hohlkörpers Ausnehmungen aufweist, daß an den Enden des Hohlkörpers
Ringe und zwischen ihnen in Richtung der Mantellinien verlaufende Stege bestehen,
die wesentlich schmaler sind als die Ausnehmungen, daß die Stege innen und außen
mit elektrisch leitfähigen Belägen versehen sind, daß die Leiterbeläge auf einer
Fläche der Stege miteinander verbunden und auf der anderen Fläche voneinander isoliert
sind und daß sich in Verlängerung der Stege am Rande des Hohlkörpers die Auflageflächen
für die optischen Platten befinden. Beispielsweise sind die Leiterbeläge auf den
Innenflächen der Stege direkt miteinander verbunden, während sie auf der Außenfläche
voneinander getrennt sind.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch als Etalon zwischen zwei
Fabry-Perot-Platten zur Anwendung kommen. In jedem Fall besteht die Vorrichtung
aus einem isolierenden, beispielsweise keramischen Material, das unter Einfluß eines
elektrischen Feldes an den vorbestimmten Stellen in Richtung der Mantellinien des
Hohlkörpers Längenänderungen erfährt.
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Die Festigkeit und Steifigkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung
ist besonders hoch, wenn der Hohlkörper die Form eines Zylinders besitzt, der mathematisch
als Grenzfall des Prismas anzusehen ist.
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Die Fabry-Perot-Platten haben die günstigste Auflage und erfahren
in einfacher Weise wohldefinierte Verschiebungen, wenn der Zylindermantel bis auf
drei um 1200 gegeneinander versetzte Stege ausgespart
ist und dementsprechend
an den Rändern des Hohlkörpers für jede Platte drei Auflageflächen geringer Ausdehnung
vorgesehen sind. Zur Vermeidung jeglicher mechanischer Haltemittel zwischen dem
elektrostriktiven Hohlkörper und den Fabry-Perot-Platten sind diese angesprengt.
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Die nach Fabry-Perot angeordneten Platten können eben, sphärisch
oder asphärisch gekrümmt sein.
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Außerdem ist es vorteilhaft, in dem Material der erfindungsgemäßen
Vorrichtung mindestens einen hochempfindlichen Temperaturmesser zur Anzeige und
gegebenenfalls selbsttätigen Berücksichtigung des Temperaturganges vorzusehen.
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Der Gegenstand der Erfindung ist überall anwendbar, wo es um Messungen
höchster Genauigkeit und die Erzielung maximaler Kohärenzlängen geht. Er ist mit
Vorteil insbesondere anwendbar in hochauflösenden Spektrometern, bei der Raman-Spektroskopie,
als Laser-Resonator mit elektrostriktiver Justierung und Kompensation thermisch
und mechanisch bedingter Abstandsänderungen der Fabry-Perot-Platten oder als optisches
Filter zur Erzeugung einer extrem monochromatischen Strahlung mit einem definierten
Wellenlängenschwerpunkt.
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Der Gegenstand der Erfindung wird an Hand der F i g. 1 bis 3 der
Zeichnung erläutert.
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Fig. 1 zeigt ihn als Etalon in perspektivischer Darstellung; in F
i g. 2 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung als Halterung für eine Fabry-Perot-Platte
im Längsschnitt dargestellt; F i g. 3 beinhaltet ein elektrisches Schaltbild zur
elektromechanischen Beeinflussung des Gegenstandes der Erfindung.
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Ein zylindrischer Hohlkörper aus piezoelektrischer Keramik besteht
nach F i g. 1 aus drei Stegen 1, 2 und 3 und zwei durch die Stege verbundenen Ringen
4 und 5. In den Steg 1 ist ein Thermoelement 37 eingelassen. In Verlängerung der
Stege besitzen die Ringe an ihren entgegengesetzten- Rändern jeweils drei möglichst
gleich lange Vorsprünge6, 7 und 8 bzw. 9, 10 und 11, deren Auflageflächen jeweils
eine zur geometrischen Achse des Zylinders zumindest annähernd rechtwinklige Ebene
bestimmen. Zwei Fabry-Perot-Platten 12 und 13 sind in den Auflageflächen der Vorsprünge
6, 7 und 8 und 9, 10, 11 an den zylindrischen Hohlkörper angesprengt. Im Bedarfsfall
können die Fabry-Perot-Platten durch der Einfachheit halber nicht dargestellte,
mittels Spiralfedern verbundene Überwurfkappen gesichert werden. Auf der Innenfläche
des Zylindermantels befindet sich eine elektrisch leitfähige Schicht 14.
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Desgleichen ist die Außenfläche der Stege 1, 2 und 3 mit einer elektrisch
gut leitenden Schicht 15 belegt.
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Die Schichtteile auf den Außenflächen der Stege sind gegeneinander
isoliert. Aus Darstellungsgründen ist in F i g. 1 nur der auf dem Steg 1 befindliche
Leiterbelag sichtbar.
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Durch Anlegung unterschiedlicher elektrischer Spannung an die auf
den Außenflächen der Stege 1, 2 und 3 befindlichen Schichtteile 15 ist es möglich,
zu Justierzwecken unterschiedliche Längenänderungen der Stege und damit eine Veränderung
des Keilwinkels zwischen den Fabry-Perot-Platten 12 und 13 herbeizuführen. Außerdem
kann durch Anlegung einer gleichen Spannung an alle drei Schichtteile der Abstand
der Fabry-Perot-Platten 12 und 13 bei gleichem Keilwinkel verändert werden. Bei
geeigne-
ten Abmessungen des zylindrischen Hohlkörpers beträgt die Abstandsänderung
der Fabry-Perot-Platten ein Vielfaches der Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs.
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In F i g. 2 ist auf einem Träger 16 in einer Führung 17 ein Schlitten
18 verschiebbar gelagert, an dem zwei zueinander im wesentlichen parallele und zur
Verschiebungsrichtung rechtwinklige Lagerkörperl9 und 20 mit Ausnehmungen 21 und
22 befestigt sind. Ein zylindrischer Hohlkörper 23, wie er nach F i g. 1 beschrieben
ist, befindet sich zwischen den Lagerkörpern 19 und 20 und ist mit einem Ende an
die Stütze 20 angekittet, derart, daß seine geometrische Achse X-X die Ausnehmungen
21 und 22 in ihren Mitten durchstößt. An das andere Ende des Hohlkörpers 23 ist
eine Fabry-Perot-Platte 24 angesprengt, die in der Ausnehmung21 des Lagerkörpers
19 gleiten kann. In einer ebenfalls in ihrer Mitte von der geometrischen Achse X-X
durchstoßenen Fassung 25 am Träger 16 befindet sich eine zweite Fabry-Perot-Platte
26, die auf diese Weise starr mit dem Träger verbunden ist. Die Vorrichtung nach
F i g. 2 ist als Teil eines Interferometers mit kontinuierlich veränderbarem Dispersionsgebiet
zu denken.
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In F i g. 3 sind mit 27 und 28 zwei erdfreie, elektronisch stabilisierte
Hochspannungsquellen bezeichnet, von denen die eine zwei in Reihe geschaltete Potentiometer
29 und 30 und die andere drei parallelgeschaltete Potentiometer 31, 32 und 33 speist.
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Die elektrisch leitenden Beläge auf der äußeren Mantelfläche sind
mit 34, 35 und 36 bezeichnet. Der leitende Belag auf der inneren Mantelfläche ist
mit dem Schleifer 39 des Potentiometers 30 verbunden.
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Das in den Mantel des zylindrischen Hohlkörpers 23 eingelassene Thermoelement
37 beeinflußt über einen Regler 38 das Potentiometer 29.
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Über die Potentiometer 31, 32 und 33 werden an die Leiterbeläge 34,
35 und 36 Spannungen zur Justierung der Fabry-Perot-Plattenl2, 13 bzw. 24, 26 gelegt.
Nach der Justierung wird den Justierspannungen über das Potentiometer 30 eine weitere
Spannung, im folgenden als Steuerspannung bezeichnet, überlagert, die die Stege
1, 2, 3 gleichmäßig beeinflußt und eine oder beide Fabry-Perot-Platten verschiebt,
ohne den Keilwinkel zwischen ihnen zu ändern. Auf diese Weise werden die zur linearen
Erfassung der verschiedenen Interferenzordnungen erforderlichen Abstandsänderungen
der Fabry-Perot-Platten erzeugt. Sollen die Interferenzordnungen kontinuierlich
registriert werden, so kann der Schleiufer 39 des Potentiometers 30 mit Hilfe eines
nicht dargestellten Synchromnotors angetrieben werden.
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Die Registriergeschwindigkeit ist im Bedarfsfall über ein ebenfalls
nicht dargestelltes Wechselgetriebe der Meßaufgabe anpaßbar.
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Da ein Temperaturgang von Bruchteilen eines Grades bereits keine
genauen Messungen zuläßt, ist es erforderlich, entweder die Temperatur des Hohlkörpers
23 zu stabilisieren oder, wie im vorliegenden Ausführungsbeispiel geschehen, den
Temperaturgang zu berücksichtigen. In der berechtigten Annahme, daß der Temperaturgang
in jeden Steg des Hohlkörpers der gleiche ist, wurde nur ein Thermoelement 37 vorgesehen,
dessen zur Korrektur der thermisch bedingten Längenänderungen erforderliche Regelspannungen
über den Regler 38 dem die Steuerspannung in geeigneter Weise ändernden
Potentiometer
29 zugeführt werden. Dadurch wird die thermisch bedingte Längenänderung des Hohlkörpers
23 elektrostriktiv kompensiert.