Bath- Weißlichtinterferometer mit Monochromator

<b>Bild 1</b>

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.

<b>Bild 2</b>

<b>Bild 3</b>

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]

Hallo Michael, liebe Mitleser,

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">---Ich habe als Lichtquelle einfach einen HeNe Laser genommen und dann das Zählwerk auf 632.8nm eingestellt.
Mit einer Gasentladungslampe könnte man das Zählwerk noch bei einigen Quecksilber-Linien überprüfen (das habe ich aber noch nicht gemacht).

Unterhalb von 400nm wird aus dem Monochromator nicht viel rauskommen, weil die Kollimationslinsen (zwischen Halogenlampe und Eingangsspalt) nicht aus Quarzglas sind. Der restliche Strahlengang wäre aber auch für UV geeignet, einschliesslich dem Faserbündel.<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Über einen Kalibrierchek hab ich mir auch schon Gedanken gemacht, hab aber mit derartigen Monochromatoren noch keine praktische Erfahrung. Deshalb folgende Fragen:

1. Den Check mit einem He-Ne Laser kann ich ebebfalls machen. Wenn damit die Skala stimmt ist denn zu befürchten dass die Linearität für unsere Bedürfnisse nicht passen könnte?

2. Den gleichen Check kann ich auch mit einem grünen Diodenlaser machen. diese werden üblicherweise mit 532 nm angegeben. Gibt es hier Streuungen, die für unsere Anwendung relevant sind?

3. Ich hab ja auch meine Zeiss - Jena Interferenzfilter mit &gt;= 2 nm HWB. Gibt es Erfahrungen zur Beständigkeit derartiger Filter?

4.Als nächstes werde ich selbstverständlich alle meine Filter durchchecken. Diese haben gemäß beiliegenden Prüfzetteln bzw angaben des Herstellers folgende Daten:

<b>Bild 4</b>

Vermutet jemand dass diese Daten vermutlich falsch oder gar unzulässig sind? Nach den Weissagungen eines „Unfehlbaren“ Unfug- Propheten mit hochflexiblem* <b>Exclusiv- read only- Thread </b>bin ich nämlich total verunsichert[:I][:o)].

Zur UV Eignung:
Ich sehe hier nur 2 Anwendungsfälle mit unseren Refraktoren
a) Nah UV Fotografie der Venus
b) Sonnenbeobachtung in der Ca Linie bei knapp 400 nm

Wenn es also gelingt bei 400nm Interferenzstreifen zu produzieren dann könnte man Refrakoren in diesem Bereich vermessen.
Mein AC - Referenzspiegel ist Al- belegt und dürfte daher keine Probleme bereiten.

Weitere Tipps zur Anwendung dervorgestellten Messstrecke herzlich willkommen!

Gruß Kurt

*Wird öfters (bis zu 5x täglich) der aktuellen Meinung des "Unfehlbaren" und entsprechend der allgemeinen "Nachrichtenlage" aktualisiert[8] [^]

Hallo Michael, hallo Martin, liebe Mitleser,

vielen Dank für Eure Tips zur Kalibrierung.

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">...Ich habe gerade mal einen grünen Laser vermessen. Je nach Temperatur lag die Wellenlänge zwischen 531.71nm und 532.29nm. Das sagt natürlich nichts über Exemplarstreuungen aus, denn ich habe wie gesagt nur _einen_ Laser vermessen.

Ein violetter Diodenlaser lag je nach Temperatur im Bereich 408.20nm bis 409.21nm...
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
(==&gt;) Michael,

<b>Du</b> kannst das also sehr genau messen. Das werde ich mir natürlich gut merken.[:D][8D]

Die Stelle(n) nach dem Komma sind für die Messung wellenlängenabhängigen Strehlzahlen von Refraktoren wie gehabt bzw. der SWDs wohl nicht mehr kritisch. Daneben habe ich geplant mit dem Monochromator auch die Wellenlängenabhängigkeit der Transmission zu vermessen. Auch hier braucht man die Wellenlängen nicht sooo supergenau zu kennen.

Ein violetter Diodenlaser der fehlt mir aber noch in meiner Sammlung. Wo gibt es den und was kostet so ein Teil ungefähr?

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Interferenzfilter sind nach meiner Kenntnis ziemlich langzeitstabil, zumindest was die Wellenlänge(n) der Transmissionsmaxima angeht. Auch Temperatureinflüsse sollten weit unterhalb der normalen Halbwertsbreite liegen. Bei deinen schmalbandigen Filtern musst Du aber ganz besonders auf kollimiertes Licht achten und Verkippung vermeiden (max. 2-3°).
Im blauen Bereich hast Du ja keine ausreichend schmalbandigen Filter zum Kalibrieren, da müsstest Du vielleicht andere Lösungen finden.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

(==&gt;) Michael,

das hat mich sehr zuversichtlich gemacht, insbesondere bezüglich meiner z. T. recht betagten Interferenzfilter. Fürs erste erschein mir daher eine

<b>vereinfachte Kalibrierung des Monochromators </b>
mittels meines bereits vorgestellten Filtersets ratsam zu sein. Die Adaption eines Lasers anstelle der angebauten Halogenlampe wäre auch nicht so ganz simpel zu realisieren wie man vielleicht glaubt. Das werde ich aber später nachholen.

Ich hab also ich die Interferenzfilter genau senkrecht zum Lichtleiterausgang montiert und das Stellrad so lange verstellt bis der Spot aus ca. 50 cm Betrachtungsabstand visuell am hellsten erschien. Natürlich ist es hier wichtig dass man genau senkrecht auf das Filter blickt. Das ist aber bei den Interferenzfiltern sehr leicht zu realisieren. Man muss nur darauf achten dass sich der Spot genau in der Mitte des Augenreflexes auf dem Filter abbildet. Das geht bei gedimmter Raumbeleuchtung ganz ausgezeichnet.

Begonnen hab ich mit dem Filter 551,3 nm. Hierbei wurde das Digitalmesswerk bei hellstem Spot eben genau auf 551.3 nm fixiert. Die nachfolgende Tabelle zeigt das Ergebnis einer Stichprobenserie.

<b>Bild 6</b>

Nach der Beschreibung von Oriel wird der eingestellte Wellenlängenwert auf +/- 1 nm über die gesamte Skala eingehalten. In obiger Stichprobe beträgt die Differenz in zwei Fällen 2 nm, im Mittel aber nur ca. 1 Promille. Die Übereinstimmung ist mir jedenfalls genau genug. Es ist auch höchst unwahrscheinlich, dass der Mittelwert der Wellenlängen von 9 verwendeten Interferenzfiltern total daneben liegt. Die Beständigkeit des Monochromators während eines Messeinsatzes am Refraktor kann man jederzeit durch Einschaltung eines der schmalbandigen Interferenzfilters z.B. 551,3 nm kontrollieren. Ich hab ja auch nicht vor SWDs oder irgendwelche darauf basierenden Indizes auf 5 Dezimalen genau vermessen zu wollen. Wen stört es denn, falls die im bisherigen Stil ermittelten Strehlhkurven tatsächlich um 1 bis 2 nm in die eine oder andere Richtung verschoben oder verzerrt wären?

Bei dem allerersten Versuch zur obigen Tabelle gab es aber erhebliche Probleme mit der Reproduzierbarkeit. So blieb mir nichts anderes übrig als im innern des Gerätes nach dem Fehler zu suchen. Es war also wie öfters, kleine Ursache – große (Fehler)wirkung. Ein Zahnrad zum Antrieb des Wellenlängenzählwerkes rutschte auf seiner Welle durch.

<b>Details zum technischen Aufbau</b>

Da das Gerät wg. des kleinen Defektes geöffnet werden musste hab ich auch hineinfotografiert. Es ist ja immerhin denkbar, dass sich jemand für das Innenleben eines solchen Gerätes interessiert. Damit die Funktionsweise für bisher weniger sachkundige Leser besser verständlich wird hab mir erlaubt das Schema von Oriel etwas modifiziert darzustellen. Die im Originalschema dargestellten Klappspiegel werden hier nicht benötigt deshalb hab ich sie im folgenden weggelassen.

<b>Bild 7</b>


Die Wendel Der Halogenlampe wird mit Hilfe der Kollimatoroptik Optik in der Ebene des einstellbaren Spaltes 1 abgebildet. Spalt1 befindet sich im Brennpunkte des Spiegels 1. Dieser richtet das immer noch weiße, annähernd parallele Lichtbündel auf das Gitter. Dieses Gitter kann man sich vorstellen wie einen Planspiegel der mit sehr feinen, parallelen Linien oder „Gräben“ durchzogen ist. Hier sind 1200 pro mm! So ein Gitter wirkt in erster Näherung immer noch als Planspiegel. Es reflektiert das einfallende Licht gemäß dem Reflexionsgesetz: Einfallswinkel = Ausfallswinkel, allerdings nur einen Teil der einfallenden Lichtenergie. Der andere Teil wird mit wellenlängenabhängigem Winkel vom der Ausfallswinkelrichtung „gebeugt“. Das ist durch die rot- grün- blauen Strahlenbündel symbolisiert. Spiegel 2 ist so platziert, dass er vom Gitter nur dieses gebeugte Licht empfangen kann.

Nach Abdeckung mit einem weißen Papier kann das sehr anschaulich demonstriert werden.

<b>Bild 8</b>

Spiegel 2 fokussiert nun die einzelnen Farben nebeneinander in der Ebene von Spalt 2.

<b>Bild 9</b>

Wenn man den Papierschirm entfernt wird nur ein sehr schmaler Wellenlängenbereich durchgelassen entsprechend der Breites von Spalt 2. Die Auswahl des Wellenlängenbereiches erfolgt durch Drehung des Gitters.

Die Spektren in den beiden vorangegangenen Bildern sind live und nicht etwa fototechnisch hineingemogelt!

Spalt 2 wird hier durch den Eintritt des Glasfaser-Lichtleiters gebildet.

<b>Bild 10</b>

Der im obigen Schema gezeichnete Lichtleiter besteht real aus mehr als 200 Einzelfasern. Wie eingangs bereits demonstriert wird dank dieses flexiblen Lichtleiters die Adaption des Monochromators z. B. an ein Bath- Interferometer erheblich erleichtert.

Jetzt noch einige Fotos zum besseren Verständnis des mechanische n Aufbaus:

<b>Bild 11</b>

<b>Bild 12</b>

Praktische Anwendungsbeispiele werden bald folgen.

Gruß Kurt

Hallo Marty,

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">...Vielleicht gehts sogar mit einer Stromsparlampe.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

diese verwende ich gerne als Lichtquelle für Prüfglastests (z. B. bei der Herstellung von Cassegrain- FS o. ä.). Hier ist die im Vergleich zu Glühlampen deutlich größere Kohärenzwellenlänge vorteilhaft. Diese Lampen haben aber kein Sprektrum mit scharf ausgeprägten Linien. Dazu bräuchte man im Monochromator der hier beschriebenen Art noch relativ hohe Leuchtdichten des Strahlers. Sonst sieht man einfach nix.

Gruß Kurt

Hallo Miteinamder,

zur Erleichterung der Diskussion hab ich soeben die Bilder durchnummeriert.

(==&gt;) Marty
Hallo Kurt,
<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">Interessante Konstruktion. Ich kenne das Schema von Spektrographen, und Spektrohelioskopen.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Sorry, hab folgendes unterschlagen. Bei Oriel läuf das Gerätr unter der Typ NR. 77200. In der Beschreibung heißt es:

1/4 m GRATING MONOCHROMATOR
MONOCHROMATOR AND SPECTROGRAPH IN ONE INSTRUMENT

Die Spektrograph- Funkion hab ich prinzipiell schon mit Bild 9 dargestellt*. Man stelle sich vor Spalt 1 vom Sonnenlicht beleuchtet und der Papierstreifen sei durch einen hochauflösenden Photosensor ersetzt.

Wenn nicht irgendeines der Zahnräder durchdreht dann kann sich an der Kalibrierung eigentlich nichts verändern.

(==&gt;) Michael

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">--&gt; Kurt
Welches Zahnrad war denn lose?...
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

...das Zahnrad auf der Welle der Digitalanzeige, im Bild 11 zu erkennen. Das Zählwerk selbst sowie die gesamte Mechanik ist sehr leichtgänging, und dennoch spielfrei, so lange der Zahnriemen nicht zu straff gespannt wird. So ein klein bisschen kenn ich mich als gelernter Elektomechaniker (und Hobby- Modellturbotriebwerksbauer) auch in Feinmechanik aus[8D].

<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote">...Das geht ganz einfach, wenn du den Zwischentubus mit der Kollimationslinse entfernst. Drei Madenschrauben, wenn ich mich richtig erinnere. Du richtest den HeNe Laser direkt auf den Eingangsspalt, der möglichst schmal eingestellt wird. Dass dadurch nur ein kleiner Teil des Spaltes ausgeleuchtet wird macht nichts.
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">

Ich war der Meinung man müsse desn Laserstrahl erst aufweiten, parallelisieren und dann auf den Spalt fokussieren. Aber wenn Du sagst das geht auch einfacher, dann mach diese HeNe. Laserkalibrierung noch vor dem eigentlichen Messeinsatz.

Gruß Kurt

*Dazu fällt mir noch siedendheiß folgendes ein. Bei der Erstellung dieses Demo-Bildes musste ich feststellen, das die Designer keine Fraunhofer - Linien verbaut haben. Nein, nicht eine einzige war zu erkennen! Kann man diesen "Fehler" beheben oder sollte ich sicherheitshalber auf die Interferometermessungen mit dem Gerät verzichten?[:o)]

Hallo Gert,<blockquote id="quote"><font size="1" face="Verdana, Arial, Helvetica" id="quote">Zitat:<hr height="1" noshade id="quote"><i>Original erstellt von: Gert</i>
<br />Hallo Kurt,

Ist der Blazewinkel in Deiner Schemazeichnung (Bild so richtig eingezeichnet? Der sollte doch eigentlich in Richtung der Reflektion sein.

Clear Skies,
Gert
<hr height="1" noshade id="quote"></blockquote id="quote"></font id="quote">
Blazewinkel, wer isn das?[:I]. Hab bei Hecht "Optik" nachgeschaut. Der Blazewinkel hat etwas zu tun mit der Optimierung der Energie im gebeugten Lichbündel des Gitters.

In der Beschreibung von Oriel hab ich nur gefunden:

<b>Blaze Wavelenght = 350 nm </b>

Das gilt für das eingebaute Gitter mit 1200 L./mm. Ansonsten hab ich in meinem Bild 7 (nicht Bild 8, Gert) die Winkelposition des Gitters zum Spiegel 1 aus dem Oriel- Schema bzw. obigem Bild 11 nach Augenmaß übernommen.

<b>Bild 13</b>

Gruß Kurt

Hallo Miteinander,

Freut mich natürlich dass der Monochromator Eure Aufmerksamkeit erregt hat. So wie der gebaut ist bräuchte man als Spiegelschleifer nur ein gutes Blaze- Gitter und man könnte sich den Rest selber bauen. Damit hätte man je nach Laune einen Monochromator oder ein recht leistungsfähiges Spektroskop.

(==&gt;) Gert,
Vielen dank für die Erläuterungen zum Blaze- Gitter. Das das nur mit Beugung zu erklären ist weiß wohl fast jeder aber das mit den Blaze- Winkel und der nicht korrekten zeichnerischen Darstellung ist weniger trivial.

Im folgenden möchte ich noch einiges zum Gebrauch als Monochromator speziell in Verbindung mit dem Bath- Weißlichtinterferometer erzählen. Wie die Bilder in meinem Eingangsposting zeigen gelang die Produktion von wunderschönbunten I- Grammen auf Anhieb. Nur war der Prüfling ein einfacher sphärischer Spiegel. Da wäre es schlicht blödsinnig diesen in Multicolor interferometrieren zu wollen, obwohl er das klag – und problemlos in praktisch allen Wellenlängenbereichen mitmacht. Bei Refraktoren kann es wg. des zunehmenden Farbfehlers im blauen bis violetten Bereich zu drastischen Kontrastminderung der Interferenzstreifen bis zur Unkenntlichkeit kommen, wenn die Prüfwellenlänge nicht schmalbandig genug ist. Dazu noch mal zur Erinnerung aus
http://www.astrotreff.de/topic.asp?TOPIC_ID=95328

<b>Bild 14</b>

Beim ED 127 F/9 hat man mit Filter 436nm, Halbwertsbreite 17nm keine Chance noch etwas messen zu können. Bei 450 nm, 6 nm HWB geht es gerade noch. Nachdem was sonst noch so gezeigt wird kann man in für diesen Wellenlängenbereich Filter mit 10 nm HWB für interferometrische Messungen an Refraktoren glatt vergessen.

Wie sieht es denn mit dem Monochromator anstelle von Farbfiltern aus? Bitte obiges Bild 3 ganz schnell vergessen. Das war ja ein physikalisch garantiert farbreiner Spiegel als Prüfling!
Daher hab ich den genannten ED 127 in die eingangs skizzierte Messstrecke gemäß Bild 2 gelegt. Die Messstrecke wurde allerdings etwa modifiziert (s. unten). Die Interferogramme sehen jetzt so aus:

<b>Bild 15</b>

<b>Bild 16</b>

Bild 17


Die Zahlenangaben entsprechen den jeweiligen Wellenlängen in nm. 435 nm ist jetzt problemlos auswertbar. Bei 405nm bekommt man schon „Kringelgramme“, aber nur weil in dieser Serie auf ca. 600 nm (oder auch ca. 500 nm) fokussiert worden ist. Das 405 nm- Interferogramm in Originalgröße (ca. 3x größer) sind alle 17 Streifen durchgehend bis zu Rand erkennbar. OK, bei obigem Refraktor interessiert der Wellenlängenbereich nicht besonders. Aber für die hochwertigen LZOS o. ä. scheint mir die genauere Vermessung auch in diesem Bereich sinnvoll zu sein.

Jetzt noch einige Sätze zur Modifikation der Messstrecke gegenüber obigem <b>Bild 2</b>.

<b>Bild 18</b>

<b>Bild 19</b>

Es funktioniert auch ohne die Blende und ohne Okular. Allerdings bekommt man dann nur weniger als 10 kontrastreiche Streifen. Bei Verwendung der Blende bleibt der Kontrast auch ca. 20 Streifen noch sehr gut. Des weiteren ist bei Weißlicht im Vergleich zur Laser- Interferometrie die Helligkeit drastisch reduziert, insbesondere bei der Verwendung von schmalbandigen Filtern und natürlich auch des Monochromators. Das ist bei der Einrichtung der Messstrecke höchst lästig. Wenn man die Blende weglässt hat man aber ausreichend Helligkeit der reflektierten Lichtbündel um das Interferometer einrichten zu können. Danach wird die Blende eingesetzt und man kann die Streifen optimal einstellen. Bei Weißlicht und Filternist die Einrichtung des Interferometers unproblematisch, weil man dazu das Filter weglassen kann.

Eine Auswertung der obigen I- Gramme vertage ich hiermit auf das nächste Jahr.

Einen Guten Rutsch ins Neue Jahr
wünscht

Kurt