Ein Interferometer entsteht.

Für unser Foren-Mitglied Ronny sollte ich schon seit längerem einen Bath-Interferometer herstellen. Und weil er seinen Spiegel bereits poliert, was es höchste Zeit, das Prüfgerät fertig zu stellen. Dazu sind aber sowohl einige Teile zu besorgen oder in einer Drehmaschine bzw. Fräsmaschine vorzubereiten.

Optische Komponenten:

Laserdiode, 3 mW, Durchmesser 11.3 mm, 4.5 Volt, Conrad Elektronics
Teilerwürfel 17.8 mm Kantenlänge, Teilerfläche 50% / 50%, nicht polarisiert, normale Qualität
Bikonvex Einzel-Linse, 10 mm Brennweite, Durchmesser 5,5 mm, SurPlus
Prisma mit verspiegelter Hypothenuse, 16 mm hoch, Quelle unbekannt

Nach diesen Abmessungen richtet sich nun der Aufbau der Anlage:
Die Optische Achse liegt in der Mitte des Teilerwürfels, und damit 18/2 = 9 mm über der "Basis"-Fläche eines 40x40 mm Alu-Rechteck-Rohres mit 2 mm Wand und dunkler Beschichtung. Zwischen der Lichtquelle, und dem eigentlichen Interferometer-Aufbau läßt man für Filter bzw. Strahlaufweitungs-Optik etwas Spielraum, das man nachträglich dort einfügen kann bei Bedarf. Da das Laserbündel ca. 2 mm im Durchmesser ist, entsteht über die 5.5 mm Linse ein Lichtkegel von nur f/5 und das begrenzt die Verwendung dieses Interferometers auf f/5 und kleiner. Erst bei voller Ausleuchtung des 5 mm Linsen-Durchmessers entsteht ein genügend großer f/2 Lichtkegel, was beim Prüfen von f/4 Öffnungen ganz wichtig ist. F/4 Newton-Spiegel in Autokollimation geprüft wären so ein Fall.

Mechanischer Aufbau

Dieses ca. 200 mm lange 40x40 mm im Querschnitt große Alu-Rechteck-Rohr bekommt nun ganz links je einen Schlitz, damit man später die Laserdiode mit Halter justieren kann, wie nachfolgende Bilder zeigen. Daran schließt sich ein Befestigungs-Schlitz an, der nach oben offen ist, damit man den Halter von oben einschieben kann. Im rechten Bereich erkennt man die M4-Gewinde für die Halteschrauben eine Stahlplättchen von 0.4 mm Dicke, (Abreißlineal für Tapeten), auf dem der spätere Teilerwürfel aufgesetzt und vor allem justiert werden kann. Ganz rechts wieder ein Befestigungs-Schlitz für den Halter der Bikonvex-Linse, der ebenfalls eingeschoben wird.

Der Halter der Laserdiode wurde aus einer 30 mm gezogenen Alu-Stange (Dreh- und Bohrqualität) hergestellt, ca. 30 mm lang.. Die Laserdiode steckt am rechten Ende, wo das Licht-Bündel austritt so in einer paßgenauen Bohrung von 11.3 mm und 2mm Tiefe. Nach hinten zu, also links wird mit einer Bohrung von ca. 15 mm genügend Spiel zur Justage der Laserdiode erzielt. Die Justage-Madenschrauben M4 sind im Winkel von 120 Grad angeordnet. Der Durchmesser des Halters wurde auf 24.3 mm plan abgefräst, wobei gleichzeitig noch die Dicke des Teilerwürfel-Plättchens mit eingerechnet wurde. Mit diesem Maß wird die Höhe des Laserbündels von 9 mm über Grund eingehalten. Erfreulicherweise entstanden alle Teile mit einer Genauigkeit von 0.1 mm.





Zunächst paßt man das 0.4 mm Federstahl-Plättchen auf die Position des Teilerwürfels und der Basis an, versieht es mit zwei Langlöchern für M4 Inbus-Schrauben und schraubt das Plättchen mittig fest, damit man es später in beide Richtungen verschieben kann und noch leicht drehen kann. Nach dem gleichen Prinzip funktioniert die Befestigung des Halters der Laserdiode. Nun hat man zwei Dinge zu prüfen: Ist das Laser-Bündel parallel zur Basis, was man daran untersucht, ob das Bündel mittig durch die Linse im Linsenhalter fällt. Das justiert man an den drei Justierschrauben Laserseitig. Die nächste Prüfung geht dahin, festzustellen, in welcher Position der Teilerwürfel sowie die Laserdiode stehen müssen, damit aus dem Teilerwürfel zwei Lichtbündel im Abstand von ca. 5-10 mm austreten und an einer ca. 4 m entfernten Wand möglichst dicht nebeneinander zu sehen sind. Dabei ist von besonderer Wichtigkeit, daß das vom Laser kommende Ursprungs-Bündel oberhalb der Teilerfläche in den Würfel eintritt. Sonst entstünde ein spiegelverkehrter Aufbau, der natürlich ebenso möglich wäre. Auch in Verbindung mit einer Bikonkav-Linse würde das System funktionieren. Unter den gerade beschriebenen Bedingungen markiert man nun die Orientierung des Teilerwürfels auch auf der Unterlage des Stahlplättchens mit einem dünnen Folienstift. In dieser Position und Orientierung wird nun über ein Doppelklebe-Textil-Band aus dem Teppichhandel der Würfel schonend auf der Unterlage befestigt. (Aus diesem Grund sollte man den Bath-Interferometer nie waagrecht lagern, weil sich sonst der Würfel verschiebt und ablöst.



Besonderes Augenmerk liegt nochmals auf dem Halter der kleinen Bikonvexlinse mit einem Durchmesser von 5,5 mm und einer Randdicke von 1.2 mm, dünner ist besser als zu dick. Dieser Linsen-Halter ist aus dem gleichen 30 mm Alu-Stangen-Material hergestellt mit einer Dicke von ca. 8 mm. Die Linse sitzt in einer Bohrung von 5.6 mm und wird vorne gestoppt durch einen Ansatz von nur 5 mm. Von unten ist diese Alu-Scheibe wieder auf die 24.3 mm abgefräst, um die Höhe der opt. Achse einzuhalten und zum Betrachter zu wird soviel Material rechtwinklig abgefräst, daß der LinsenRand bündig zur abgefrästen Fläche ist, damit beide Bündel ungehindert dran vorbeilaufen können. Eine sehr sichere Linsenhalterung ist ein kleiner Hohl-Stöpsel, mit Durchmesser 5.6 außen und 5 mm innen und natürlich einem Anschlag-Flansch am Anfang. Auch muß man die Länge ausmessen, bis zur Linsen-Position. Ineinandergesteckt fräst man den überstehenden Teil ebenfalls bündig ab und arbeitet den Schlitz mit einem 3 mm Fingerfräser nach. Bei hinreichender Sorgfalt bleiben die Teile zusammen, ohne daß man sie verkleben muß und so kann man alle Verbindungen später bei Bedarf auch wieder lösen.



Zusammengefügt schaut dann der Aufbau so aus. Links die Lichtquelle mit Zwischenraum für Filter, Aufweitungs-Optik, danach der Auslenkspiegel in Form eines Prismas. Das Bündel kommt aus dem unteren Prisma des Teilerwürfels, weswegen die Kante des Prismas ein klein wenig über die Diagonale des Teilerwürfels hineinragen kann. Rechts die Linse in ihrem Halter mit entsprechender Sicherung.



Noch etwas größer der eigentliche Interferometer-Teil, der prinzipiell nur diese drei Teile braucht. Die Lichtquelle hingegen ist ein ganz eigener, gesonderter Punkt, doch davon später.



Das Funktions-Prinzip

Wegen der Unterscheidbarkeit wurde die Informations-Welle, die den Prüfling ausleuchtet, hier grün dargestellt, während das Referenzbündel und die spätere Referenz-Welle nachfolgend rot dargestellt wurde. Entscheidend für das Interferieren ist, daß beide Lichtpunkte räumlich zusammenfallen müssen, weswegen beim Aufbau der Prüfanordnung nur dann ein Interferogramm entsteht, wenn diese Bedingung erfüllt ist. Das Funktions-Prinzip ist denkbar einfach, wenn man es mal verstanden hat. Lichtquelle ist in jedem Falle ein paralleles Lichtbündel, das oberhalb der Teilerfläche eines Teilerwürfels in zwei 50% / 50% Teilbündel zerlegt wird. Die grüneTeilwelle nach der Spiegelung wird von der 5 mm kleinen Linse zu einem Lichtpunkt fokussiert und bildet die Informations-Welle. Während die anderen 50% durch die Teilerfläche hindurch die Referenz-Welle bilden, rotes Lichtbündel.



Bei der Justage des Bath-Interferometers sollte der Bündel-Abstand etwa 5-6 mm betragen, streng parallel zu einer Wand im Abstand von ca. 3-4 Meter verlaufen und nach dem Einfügen der kleinen Bikonvex-Linse sollte das unfokussierte Referenz-Bündel zentrisch zum als Lichtkegel aufgeweitete Informations-Bündel liegen, wie das folgende Bild zeigt. Das ist die große rote Kreisfläche, wie man sie im Abstand von ca. 40 cm auf einem Projektionsschirm sehen kann. Etwa im Zentrum erkennt man das kleine helle Referenz-Bündel, das erst auf dem Rückweg zur Referenz-Welle fokussiert wird, allerdings hinter der kleinen Linse, wie oben im Schemabild dargestellt.




Anmerkungen zur Lichtquelle

Der große Vorteil des Bath-Interferometeres ist, daß keine Kohärenz-Länge erforderlich ist. Bei Laserlicht mit einer langen Kohärenz-Länge interferieren oft bei Planplatten die beiden manchmal 30 mm und mehr Abstand entfernten Planflächen, was sich sehr störend bemerkbar macht, wenn man eine der Flächen prüfen will. Bereits mit Weißlicht, wie es von einer Autolicht-HalogenLampe erzeugt wird, kann man mit Hilfe des Bath-Interferometers über den gesamten Spektralbereich prüfen, wenn man enge Interferenzfilter dazu benutzt. Für diesen Zweck habe ich mir einen eigenen Interferometer für Weißlicht gebaut, dessen Parallel-Bündel über einen ca. 120 mm Fokus kleinen Achromaten erzeugt wird, um die nötige Genauigkeit zu bekommen. In den parallelen Strahlengang muß man dann die Interferenz-Filter stellen, wenn man z.B. den Farblängsfehler von Refraktoren ausmessen will. Die Laserdioden haben mehrere Probleme.
Meist ist das Bündel im Durchmesser zu klein mit 1-2 mm, weshalb man eine Optik zu Strahlausweitung bräuchte. Eine kleine Minuslinse mit ca. 500 mm Minus-Brennweite schafft bereits ein wenig Abhilfe und vergrößert das Referenzbündel nur geringfügig, sorgt aber für eines bessere Ausleuchtung der Bikonvex Linse. Die Laserdioden haben in der Regel relativ schlechte kleine Achromaten als Kollimations-Optiken. Bei Laserdioden wird ein heller Lichtpunkt über einen kleinen Achromaten in ein Parallel-Lichtbündel verwandelt. Das gibt es auch justierbar. Auch so könnte man das Bündel etwas variieren. Alles in allem sind die bezahlbaren Laserdioden eigentlich unbrauchbar, weil sie sehr viel Artefakte ins spätere Interferogramm einführen. Lediglich bei Weißlicht entstehen sehr saubere Interferogramme, die sich dann über das von uns entwickelte Auswertprogramm AtmosFringe sehr schnell auswerten läßt. Mittlerweile gibt es Lieferanten, deren Laser-Lichtbündel bis 7 mm Durchmesser aufgeweitet ist, leider aber ebenfalls noch Artefakte einführt.

Bei jedem neuen Interferometer muß ja geprüft werden, ob er auch die an ihn gestellten Anforderungen erfüllt. Deshalb ein Prüfspiegel 300/1500 mit einer hohen Qualität, die Strehl = 0.96 bekannt ist.



Da das Laserlicht nicht nur für die Augen schädlich ist, braucht man einen Graufilter oder zwei gegeneinander verdrehbare Polarisations-Filter, womit man das Licht stufenlos "dimmen" kann. Mittlerweile sitzt das Interferometer bereits auf einem Kreuztisch, den Ronny mitgebracht hat. Rechts im Bild sieht man die Auflage des KeplerFernrohres, das deswegen notwenig ist, weil der Fokus der DigitalKameras in der Regel so kurz ist, daß man an den Fokus des Interferometers nicht herankommt. wozu allerdings noch ein wichtiges Hilfsmittel hergesetllt werden muß: Ein verkleinerndes KepplerFernrohr von minus 0.8 fach. Auch für die Kontrolle mit dem Auge ist dieses verkleinernde Fernrohr sehr sinnvoll.



Zum Bau dieses Fernrohres nutzten wir zwei kleine 200 mm Achromaten vorne, die man mit der konvexen Seite zueinander stellt wie bei einem DialSight-Okular, siehe Übersicht. http://rohr.aiax.de/eyevar27.jpg Das wäre das Objektiv dieses verkleinernden Fernrohres. Im entsprechenden Abstand sitzt das "Okular", das aus zwei Achromaten besteht mit 250 mm Brennweite, die in gleicher Anordnung eingesetzt werden. Den richtigen Abstand bekommt man, wenn man auf den ca. 4 m entfernten Abstand des Prüflings fokussiert, und im übrigen soviel Spielraum einbaut, daß man alle diese Abstände realisieren kann. Um randscharfe Interferogramm zu bekommen, ist der richtige Abstand dieser beiden Teile, Objektiv und Okular, sehr wichtig. Jeweils vorne ist die Halterung des "Objektivs" zu sehen, am anderen Ende sitzt das Okular. Beide Teile werden von einem dünnwandigen Carbon-Rohr gehalten, was sich unlängst bei mir verirrt hatte. Im Normalfall reicht ein Kunststoff-Rohr aus, wie es bei der Installation verwendet wird. Man kann es innen mit Velour-Folie auskleiden. Hier ist also jetzt auch noch das verkleinernde Kepler-Fernrohr zu sehen, auf gleicher Bauhöhe von 9 mm zur Basis



Wie bekomme ich ein Interferogramm ?

Vorausgesetzt, das Interferometer wurde richtig zusammengestellt und justiert und sitzt auf einem Koordinaten-Tisch, der in drei Achsen (X-, Y- und Z-Achse) aussteuerbar ist. Zusätzlich sollte man den Tisch noch drehen können. DAnn richtet man das Laserbündel zunächst auf das Zentrum einer Optik, meist ein Newton-Spiegel, der beide Bündel in unterschiedlicher Weise zurückwirft. Das helle Referenz-Bündel kommt unverändert wieder zurück und kann zur Kontrolle auf die Fläche des Linsen-Halters projiziert werden. Das entspricht dem kleinen hellen Licht-Kreis in der rechten Bild-Hälfte. Dicht daneben links wird das Informations-Bündel etwas schwächer abgebildet. Das hängt damit zusammen, daß die Optik aus dem gesamten ursprünglichen Lichtkegel zu Beginn einen schlankeren Kegel ausschneidet. Je nach Abstand des Interferometers vom Prüfling liegt diese kleine Projektions-Fläche des Linsen-Halters außerhalb, ganz exakt oder innerhalb des Fokus, dieses Informations-Kegels bzw. der Informations-Welle. Da aber beide Teilwellen räumlich zusammengesetzt werden müssen, um zu interferieren, muß diese Projektionsfläche zwingend innerhalb dieses Fokus gelegen sein. Das bedeutet, man sucht sich genau den Fokus und schiebt anschließend das Interferometer noch ein paar Millimeter zum Prüfling, bis beide "Lichtscheibchen" etwa die gleiche Größe haben.
Da nun der Abstand Interferometer-Prüfling einigermaßen stimmt, und da auch das Licht-"Echo" vom Prüfling etwa in der richtigen Höhe liegt, also wieder ca. 9 mm zur Basis, schiebt man das Interferometer soweit quer zur X-Achse, bis das helle Referenz-Bündel exakt durch die Einzellinse fällt, damit es zum Lichtkegel hinter der Linse bzw. zur Referenz-Welle fokussiert werden kann. Das kann man nun beobachten im Auslenkspiegel, weil zwei kleine Lichtpunkte erkennbar sind. Dafür ist nun das Kepler-Fernrohr gut. Richtig ausgerichtet erkennt man den einen Lichtpunkt als den ausgeleuchteten Prüfling wieder, und drum herum die Referenz-Welle. Genau dort, wo man Licht von beiden Wellen bekommt, interferiert das Bild und man sieht ein erstes Interferogramm. In der Regel sind das erst einmal konzentrische Kreise, woran man erkennt, daß der Fokus noch nicht stimmt. Bei richtiger Fokussierung nimmt die Zahl der Ringe ab, oder die Ringe werden flacher, bzw. der Radius des Kreises größer, bis aus den Kreisen gerade Linien geworden sind.



Ein erstes Interferogramm mit dem neuen Bath-Interferometer an einem Newton-Spiegel ausprobiert. Bei einem Kugelspiegel sollten die Streifen parallel und schnurgerade sein. Links des Spiegels erkennt man Teile der Referenz-Welle, weshalb unten links klein eine Abbildung eingefügt ist: Die hellgrüne größere Kreisscheibe bildet die Referenz-Welle mit dem größeren Kegel, während das eigentliche Interferogramm gemeinsam aus Referenzwelle und Informations-Welle gebildet, deswegen auch heller sein muß und natürlich interferiert.



Um es nochmals zu wiederholen: Die Achse zum Spiegel ist die Fokussier-Achse, die QuerAchse dazu dreht die Interferogramme,während die Höhen-Achse die Anzahl der Streifen regelt. Fallen beide Lichtpunkte exakt zusammen, ist die Anzahl der Streifen sehr niedrig, liegt die Referenz-Welle über oder unter der Informations-Welle, erhöht sich sich Anzahl der Streifen wieder. Sinnvoll ist es aber, sich an eine Orientierung zu gewöhnen, z.B. grundsätzlich von oben, also mit einer großen Streifenanzahl zu beginnen und dann den Tisch langsam in der Z-Achse nach unten zu bewegen. Das ist bei der Beurteilung von Über- oder Unterkorrektur äußerst wichtig, aber auch bei Koma und Astigmatismus. Alle diese optischen Fehler haben typische Entsprechungen beim Interferogramm. Bei oberen Interferogramm hat man prinzipiell eine völlig überkorrigierten Kugelspiegel vor sich, der immer entsteht, wenn man eine Sphäre parabolisiert und dies vom Kürmmungsmittelpunkt aus beurteilt. Man hat es in diesem Falle mit einem divergent/konvergenten Lichtbündel zu tun und nicht wie am Himmel mit einem parallelen Lichtbündel. Mit der Strahlenoptik kann man sich diesen Sachverhalt leicht verdeutlichen.

schlußendlich der stolze Besitzer Ronny, der nun eine funktionsfähige Einrichtung zum Prüfen von Hohlspiegeln aller Art hat. Bis er mit den Feinheiten vertraut ist, wird noch einige Zeit vergehen.