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 Bath- Weißlichtinterferometer mit Monochromator

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Ü B E R S I C H T    
Kurt Erstellt am: 22.12.2009 : 23:56:40 Uhr
Bild 1

Das nicht ganz zierliche Kästchen ist eine Leihgabe der Firma

ASTRO ELECTRONIC
Dipl.-Ing. Michael Koch

Vor 3 Tagen kündigte Michael die Leihgabe an, und heute Mittag traf das Paket bei mir ein.

Vielen Dank, lieber Michael für die schnelle Lieferung.

Ein Monochromator ist ein Kasten mit einer Kurbel (Stellrad) dran. An der kann man drehen bis auf der Digitalanzeige die gewünschte Lichtwellenlänge angezeigt wird. Falls Die Lampe im Gehäuse brennt tritt am Ende des Glasfaser- Lichtleiters die gewählte Lichtwellenlänge aus, so mit ca. 3 nm Bandbreite. Das ist rund 3x besser als bei den anderswo genutzten Pörschke- Filten aber nicht ganz so gut wie bei einigen meiner Zeiss- Interferenzfilter. Aber hier braucht man keines von denen. Die Wellenlängenskala reicht von 200 nm bis 1200 nm mit einer Hg- Hochdrucklampe. Mit der eingebauten Halogenlampe wird der kurzwellige Bereich sicher etwas beschnitten. Das ist aber für den beabsichtigten Einsatzzweck, nämlich als Lichtquelle für polychromatische Interferometrie an Refraktoren in Verbindung mit meinem Bath Weißlichtinterferometer unerheblich.

Im Innern sitzt ein ziemlich engmaschiges Beugungsgitter mit einigen Spiegeln und Präzisionsmechanik. Das interessiert mich aber vorläufig weniger. So hab ich dann schnellstmöglich einen Testaufbau realisiert und einige Test- Interferogramme aufgenommen.

Bild 2



Bild 3


Die Belichtungszeiten waren dabei ca. um den Faktor 3 kleiner als bei meinen bisherigen Messungen mit einzelnen Interferenzfiltern. Ich finde die Interferogramme sehen einfach prächtig aus. Visuell konnte man im kurzwelligen Bereichg sogar noch bis ca. 420 nm Streifen erkennen. Weiter herab ging es nicht, weil das Reflexionsvermögen der Silberschicht des Prüflings hier drastisch abfällt. Bei Refraktoren wird es spannend was hier passieren wird. Am roten Ende konnte ich noch bis ca. 750 nm Streifen erkennen. Zur Fotografie hätte ich aber erst penible Verdunkelungsmaßnahmen im Raum realisieren müssen. Aber es scheint sicher, alles was sich hochwertiger Refraktor nennt kann in einem sehr weiten Wellenlängenbereich interferometriert werden. (Fortsetzung folgt)

Allen Lesern ein Frohes Weihnachstfest
wünscht
Kurt


Edit: Korrektur Tippfehler. Wer noch welche findet darf sie behalten

D I E    15   L E T Z T E N    A N T W O R T E N    (Neue zuerst)
mkoch Erstellt am: 03.04.2010 : 18:16:13 Uhr
Hallo Frank,

Zitat:
Original erstellt von: FrankH
Aber das Licht eines Bereiches der Delle kommt gar nicht an der richtigen Stelle zurück sondern wird auch noch seitlich umgelenkt da die Fläche ja nicht nur tiefer ist sondern auch einen anderen Winkel hat.


Das stimmt, man bezeichnet das als "Re-Tracing" Fehler. Die Kunst besteht darin, zu entscheiden wann der dadurch entstehende Messfehler vernachlässigbar klein ist, und wann nicht.

Gruss
Michael
Kurt Erstellt am: 03.04.2010 : 14:23:31 Uhr
Hallo Thomas,
Zitat:
Original erstellt von: TGM

Hallo Kurt, hallo zusammen,

die Schemazeichnung, die Kurt nochmal angefügt hat, macht klar, dass der Einfluss des Monochromators und der darin enthaltenen Komponenten auf die Aussagekraft der Interferrogramme gering ist. Ich hoffe, dass ich mit meiner Frage hier nicht unnötige Aufregung erzeugt habe.
Die Idee des Bath-Interferrometers ist clever, auf den ersten Blick könnte man den Eindruck haben, dass sich alle Fehler der optischen Komponenten 'rausheben' da sie von beiden Strahlen durchlaufen werden.
Wo die Grenzen liegen, wie man die Parameter wählen muss, dies ist vermutlich bereits an anderer Stelle auch schon im Detail diskutiert worden.

beste Grüße

Thomas




noch mal ganz ehrlich, Deine Frage finde ich durchaus berechtigt. Man kann die Antwort auch kurz so zusammenfassen: Der Selbstbau- Monochromator bringt keine zusätzliche Fehler in das System außer dem Fehler bei der Wellenlänge. Dieser Fehler liegt in der Größenordnung von einigen nm. Das ist aber für die Farbfehlermessung weniger problematisch und durch Kalibrierung hinreichend gut zu kontrollieren.

Die Fehler des Bath- Interferometers sind ein Kapitel für sich. So macht z.B. der prinzipiell gegebene Strahlabstand Fehler, die aber erst bei hoher Lichtstärke und kurzer Brennweite deutlich werden. Daneben ist es eben so wie Michael schon ausgeführt hat es werden eben nicht alle Fehler gegeneinander aufgehoben. So bekommt man bei nicht ganz perfekter Symmetrie der Bikonvex- Linse zusätzlich Koma, Asti und wahrscheinlich auch sphärische Aberration in den Messaufbau. Aber auch andere Interferometertypen sind ebenfalls nicht prinzipiell fehlerfrei.

Gruß Kurt
FrankH Erstellt am: 03.04.2010 : 14:05:31 Uhr
Hallo

ich weis das der Beitrag jetzt ganz schrecklich wird, aber alle Interferometrer haben einen ganz simplen Fehler, ich erkläre das mal an was überschaubarem.
Man hat ein Michelson mit Referenz und Prüfling in identischem Durchmesser und Radius, alles ist perfekt ausgerichtet, Aufweitung, Teiler, und Justage Fehlerfrei.
Nun ist ja das Interferogramm gloß eine Auslöschung oder Verstärkungvon zweier sich überlagernder Wellen, wo das Licht herkommt ist im Prinzip egal.
Nun hat der Prüfling eine Delle, ein Loch, das Licht kommt verspätet zurück, dieser Fehler wird dann in der Interferenz sichtbar. Aber das Licht eines Bereiches der Delle kommt gar nicht an der richtigen Stelle zurück sondern wird auch noch seitlich umgelenkt da die Fläche ja nicht nur tiefer ist sondern auch einen anderen Winkel hat. Es ist wohl keine Formel in der Auswertung integriert die abhängig von der Höhe des Fehlers die Position dieses errechnet, das ist wohl auch nicht möglich in eine einfache Formel zu packen.
Manche Fehler muß man wohl ignorieren, ist ein Prüfling zu schlecht kommt auch kein besonders passendes Messergebnis dabei raus, und eine Gurke braucht man nicht stundenlang auswerten

Gruß Frank
mkoch Erstellt am: 03.04.2010 : 13:10:46 Uhr
Hallo Thomas,

Zitat:
Original erstellt von: TGM
Die Idee des Bath-Interferrometers ist clever, auf den ersten Blick könnte man den Eindruck haben, dass sich alle Fehler der optischen Komponenten 'rausheben' da sie von beiden Strahlen durchlaufen werden.
Wo die Grenzen liegen, wie man die Parameter wählen muss, dies ist vermutlich bereits an anderer Stelle auch schon im Detail diskutiert worden.


Ja, auf den ersten Blick denkt man dass sich alle Fehler gegeneinander aufheben. Auf den zweiten Blick ist das leider nicht so. Einige Fehler heben sich auf, andere heben sich nicht auf. Bis ins letzte Detail ist das nach meinem Kenntnisstand noch nie theoretisch untersucht wurden. Man kann darauf verzichten, wenn man das Interferometer an bekannten (fehlerfreien) Prüfobjekten kalibriert.

Gruss
Michael
TGM Erstellt am: 03.04.2010 : 12:40:51 Uhr
Hallo Kurt, hallo zusammen,

die Schemazeichnung, die Kurt nochmal angefügt hat, macht klar, dass der Einfluss des Monochromators und der darin enthaltenen Komponenten auf die Aussagekraft der Interferrogramme gering ist. Ich hoffe, dass ich mit meiner Frage hier nicht unnötige Aufregung erzeugt habe.
Die Idee des Bath-Interferrometers ist clever, auf den ersten Blick könnte man den Eindruck haben, dass sich alle Fehler der optischen Komponenten 'rausheben' da sie von beiden Strahlen durchlaufen werden.
Wo die Grenzen liegen, wie man die Parameter wählen muss, dies ist vermutlich bereits an anderer Stelle auch schon im Detail diskutiert worden.

beste Grüße

Thomas


FrankH Erstellt am: 03.04.2010 : 11:50:42 Uhr
Hallo

klar ist nur die Lichquelle strahlt wellen aus,
der eingebildete Idealfall wäre Kugelwelle
allerdings betrachtet man nicht diese ankommende Kugelwelle sondern die zeitliche und durch die Ausbreitungsgeschwindigkeit auch räumliche Differenz.
Daraus folgt das die Form der Wellenfront gar keine Rolle spielt weil das Ergebnis das selbe
1-1 ist 0 und Grütze - Grütze ist auch 0 die Differenz kommt ja von einer Delle im Prüfling, die lässt sich in nm definieren, und da das Licht der grütze Wellenfront dann 1 länger braucht wird der Fehler (Grütze+1)-Grütze =1 sichtbar.
Das bedeutet aber das die 1. Welle und die zweite Welle ähnliche Gestalt haben müssen wenistens zu über 90 % also ist doch eine zeitliche Kohärenz erforderlich, da man aber zwischen dem Wege der Referenz und dem Weg des Lichtes vom Prüfling eine sehr geringe Wegdiffernz hat (eben gerade mal den Fehler)sind die Ansprüche sehr gering.
Lediglich wenn starke Änderungen der Lichtfarbe führen zu einen erheblichen Meßfehler da ja unterschiedliche Wellenlänge.

Gruß Frank
guenthsch Erstellt am: 03.04.2010 : 11:50:39 Uhr
Hallo Michael,

Natürlich, war ja nur meine Vermutung welche Fehler der Thomas gemeint haben könnte.
Wenn man immer nur liest Wellefront darf nicht gestört werden(z.B. durch zusätzliche Linsen oder gutes Teil=Teil das man weglassen kann) ist man schon mal hellhörig wenn da noch etwas dazukommt und dann auch noch was mit Spiegel. Es wird ja an jeder Stelle (zu 99% berechtigt) ein riesen TamTam, um die Qualität diverser Plan-, Kugel- und Parabolspiegel zelebriert (oh gott 1/4 Lambda Wavefront Error, das ist eine Gurke). Wenn man dann die Grundlagen der Wellenoptik nicht zur Hand hat,.....

Daher also meine Vermutung. Bin jedenfalls schon neugierig auf seine Antwort. Vielleicht meint er ja ganz was anderes.

LG
Günther
mkoch Erstellt am: 03.04.2010 : 11:21:06 Uhr
Hallo Günther,

Zitat:
Original erstellt von: guenthsch
ich nehme an er meint den Hohlspiel beim "Hohlspiegelgitter".


Zunächst mal muss man sich klarmachen, dass von dem Gitter nur ein kleiner Teil von ca. 2mm Durchmesser tatsächlich verwendet wird.


Zitat:
Original erstellt von: guenthsch
Das ein minderwertiger Spiegel die Wellenfront stört und das dann die Interferenzstreifen beeinträchtigt.


An der Stelle gibt es nicht "_die_ Wellenfront", sondern ein Gemisch vieler Wellenfronten mit unterschiedlichen Wellenlängen und unterschiedlichen Krümmungsmittelpunkten (weil die Lichtquelle 1mm räumliche Ausdehnung hat). Man bedenke dass die Lichtquelle weder räumliche noch zeitliche Kohärenz hat. So gesehen kann ein minderwertiger Spiegel an der Stelle nicht viel Schaden anrichten.

Gruss
Michael
guenthsch Erstellt am: 03.04.2010 : 10:58:59 Uhr
Hallo an alle,

Ich bin zwar nicht der Thomas aber ich nehme an er meint den Hohlspiel beim "Hohlspiegelgitter". Das ein minderwertiger Spiegel die Wellenfront stört und das dann die Interferenzstreifen beeinträchtigt. Das man also nicht mehr zuordnen kann woher der Fehler kommt. So meine Vermutung.

LG

Günther
Kurt Erstellt am: 03.04.2010 : 10:08:21 Uhr
Hallo Thomas,
Zitat:
Original erstellt von: TGM

Hallo zusammen,


nehmt es mir bitte nicht übel, dass ich nicht alle 70 Beiträge durchgelesen habe und dennoch eine (kritische?) Frage stelle.

Der Aufnahmen mit dem Bath-Interferrometer sagen nur dann etwas über die Fehler der zu prüfenden Optik aus, wenn innerhalb des Interferrometers Interferenzbedinguen eingehalten werden. Wenn also die im Monochromator verwendeten optischen Komponenten minderwertig sind und die Blende auf die mit Hilfe der ersten Linse fokussiert wird zu groß wird können diese Bedingungen verletzt sein.

Wie wird sichergestellt, dass der Einfluss all dieser Fehlerquellen vernachlässigbar ist?

beste Grüße

Thomas





Deine Kritik ist mir willkommen. Nur damit wir uns richtig verstehen bringe ich hier noch einmal das Schema meines Bath- Weißlichtinterferometers.


Bei Anwendung des Monochromatrors ersetzt dessen Spalt die Lampe 1. Der Spalt ist mit ca. 0,5 x 1 mm absolut etwas kleiner als die Lochblende. Was danach in Richtung Interferometeroptik folgt ist für den Einsatz des hier beschriebenen Monochromator- Versuchsaufbaus nicht verändert worden. Sag mal bitte konkret welche Fehlerquellen Du meinst.

Gruß Kurt
mkoch Erstellt am: 03.04.2010 : 09:44:30 Uhr
Hallo Thomas,

Zitat:
Original erstellt von: TGM
Der Aufnahmen mit dem Bath-Interferrometer sagen nur dann etwas über die Fehler der zu prüfenden Optik aus, wenn innerhalb des Interferrometers Interferenzbedinguen eingehalten werden.



Konkretisiere bitte was du mit "Interferenzbedingungen innerhalb des Interferometers" meinst.


Zitat:
Original erstellt von: TGM
Wenn also die im Monochromator verwendeten optischen Komponenten minderwertig sind


Der Monochromator besteht doch nur aus drei Komponenten: (1) Lichtquelle mit Blende, (2) Gitter und (3) Spalt. Bei (1) und (3) sehe ich nicht was daran minderwertig sein könnte. Wenn das Gitter minderwertig wäre, dann würde sich das meiner Meinung nach dadurch bemerkbar machen, dass das Licht nicht so schmalbandig wird wie man es gerne hätte. Was wiederum zur Folge hätte, dass die Interferenzstreifen unscharf werden, wenn viele Streifen sichtbar sind.


Zitat:
Original erstellt von: TGM
und die Blende auf die mit Hilfe der ersten Linse fokussiert wird zu groß wird können diese Bedingungen verletzt sein.


Mir ist noch nicht klar was du meinst. Ich bitte um eine genauere Beschreibung.


Zitat:
Original erstellt von: TGM
Wie wird sichergestellt, dass der Einfluss all dieser Fehlerquellen vernachlässigbar ist?


_Welche_ Fehlerquellen meinst du, und _wie_ sollen sich die Fehler deiner Meinung nach auswirken?
Ich bin auch der Meinung dass es im Bath-Interferometer Fehlerquellen gibt, aber in Zusammenhang mit Kurt's Monochromator kann ich keine erkennen.

Gruss
Michael
Cimotec1 Erstellt am: 03.04.2010 : 07:46:37 Uhr
Hallo Thomas.

Du solltest Dich von Kurts etwas rustikalem Aufbau der Bath Komponenten nicht beeindrucken lassen, die Qualität der optischen und personellen Komponenten ist entscheidend. Und das ist gegeben, glaub´s mir.

Meister Kurt misst mit seinem Rustikal-Bath genauer als andere Leute mit dem teuersten Zygo.

Wieso sind Deiner Meinung nach die optischen Komponenten im Monochromator minderwertig ? Die Interferenz geschieht im Bath-Interferometer, das frisst alle sichtbaren Wellenlängen die man ihm reinschickt und führt sie zur Interferenz. Selbst wenn die vom Monochromator kommenden Wellenlängen nicht exakt der gewünschten Vorgabe entsprechen sollten ( was sie aber sehr genau tun, wenn Du seinen Bericht aufmerksam gelesen hast ) hat das keinen Einfuss auf die entstehenden Interferenzmuster.

Gruß

Peter
TGM Erstellt am: 03.04.2010 : 01:45:13 Uhr
Hallo zusammen,


nehmt es mir bitte nicht übel, dass ich nicht alle 70 Beiträge durchgelesen habe und dennoch eine (kritische?) Frage stelle.

Der Aufnahmen mit dem Bath-Interferrometer sagen nur dann etwas über die Fehler der zu prüfenden Optik aus, wenn innerhalb des Interferrometers Interferenzbedinguen eingehalten werden. Wenn also die im Monochromator verwendeten optischen Komponenten minderwertig sind und die Blende auf die mit Hilfe der ersten Linse fokussiert wird zu groß wird können diese Bedingungen verletzt sein.

Wie wird sichergestellt, dass der Einfluss all dieser Fehlerquellen vernachlässigbar ist?

beste Grüße

Thomas

Kurt Erstellt am: 02.04.2010 : 20:02:47 Uhr
Kalibrierversuch des Selbstbau- Monochromators mit Schmalband- Interferenzfiltern

Das ging alles erheblich einfacher as befürchtet. Der Schwenkarm wurde mit einem Zeiger verlängert.



Vor der eigentlichen Kalbrierung wurde mit dem sphär. Spiegel als Prüfling ein nach Sinneseindruck grünes Interferogramm eingesellt. Nach einfügen des Interferenzfilter 551 nm in den Strahlengang zwischen Spalt und Interferometer wird der Schwenkarm vorgefühlvoll bewegt bis das grüne Interferogramm mit maximaler Helligkeit erscheint. Wegen der Schmalbandigkeit des Filters und des Monochromators gibt es an nur im einem engen Winkelbereich von ca. +/- 0,2 ° sichtbare Insterferenzsteifen. Nach Einstellung auf maximalen Durchlass für 551 nm wurde der Zeiger ohne Bewegung des Schwenkarms auf den Wert 0 der Skala justiert und danach der Zeiger mit den Schwenkarm fixiert. Nun wurden mit den Interferenzfiltern für andere Wellenlängen die jeweilige Durchlassposizionen ermittelt. Zur Sicherung der Ergebnisse sowie zur Ermittlung der Streuung wurde die Prozedur insgesamt 7x wiederholt. Die Ergebnisse sind mit der Wertetafel sowie der Kalibrierkurve dokumentiert.






Der Kurvenzug durch die Punkte lässt sich mit guter Näherung durch eine Ausgleichgerade ersetzen. Die Abweichungen zur dieser Geraden betragen nur im Bereich der kürzesten Wellenlängen annähernd 5 nm. Damit wird die Genauigkeit der Wellenlängeneinstellung deutlich besser als die angestrebten +/- 5 nm.

So gut wie (fast) fertig

Für den praktischen Messeinsatz wird also eine Skala mit lineraer Teilung ausreichen. Dabei braucht man nur einen einzigen Drehpunkt in System und einen genügend langes Zeiger, der gleichzeitig als Stellhebel zur Bewegung des Schwenkarms dient. Sobald der Versuchsaufbau etwas mehr mechanische Stabilität erhalten hat ist er für meine Zweck gebrauchsfertig. Das wird wahrsacheinlich die erste komplette, funktionstüchtige Selbstbaukombination Bathinterferometer- Gittermonochromator werden. Wem diese nicht so recht gefällt der darf sie gerne in schön nachbauen und auch sonstwie beliebig verbessern.

Gruß Kurt
Kurt Erstellt am: 02.04.2010 : 10:39:37 Uhr
Hallo Frank,
Zitat:
Original erstellt von: FrankH

Hallo Kurt

:Applaus:

Das mit den reproduzierbaren Nanometern bekommst du bestimmt auch noch hin, plus minus 5% dürften ja nicht so viel ausmachen

Gruß Frank



Danke für den Applaus. Das war diesmal aber wirklich eine leichte Übung.

+/- 5% bezogen auf die mittele Wellenlänge von 555 nm macht immehin fast +/- 28 nm. Das wäre mir zu ungenau. Basierend auf den bisherige Messorgien mit dem Oriel strebe ich eine Wiederholgenauigkeit (95% Vewrtrauensbereich) von besser als +/-5 nm an.

Gruß Kurt




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