DE2336930A1

DE2336930A1 - Infrarot-modulator (ii.)

Info

Publication number: DE2336930A1
Application number: DE19732336930
Authority: DE
Inventors: Ernst-Guenter Dipl Phys Lierke
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1973-07-20
Filing date: 1973-07-20
Publication date: 1975-02-06
Also published as: CA1018275A; US3955880A; JPS584321B2; JPS5055349A

Description

P-4175-01/KDB/RIM 13. Juli 1973

BATTELLE - INSTITUT E.V., FRANKFURT/MAIN

Infrarot-Modulator (II.)

Zusatz zu Patent

(Patentanmeldung P 22 42 438.0)

Die Erfindung betrifft eine Weiterentwicklung des Infrarot-Modulators nach dem Patent (Patentanmeldung

P 22 42 438.0), der in seiner Wirkungsweise auf einem Fabry-Perot-Interferometer beruht und als wesentlichen Bestandteil planparallel zueinander angeordnete Interferometerplatten aufweist, die aus einem Material bestehen, das für den zu modulierenden Spektralbereich schwach absorbierend ist. Die Abstände der Interferometerplatten voneinander sind bei einem solchen Infrarot-Modulator durch mechanische Resonanzschwingungen periodisch variierbar.

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Bei dem nach der Hauptanmeldung vorgeschlagenen Infrarot-Modulator der vorgenannten Art durchsetzt die zu modulierende Infrarotstrahlung zwei planparallele, einen Spalt bildende Interferometerplatte, die an Biegeresonatoren befestigt sind und bei Anregung zu mechanischen Resonanzschwingungen eine periodische Variation der Spaltweite ergeben. Als vorteilhaftes Material für diese Interferometerplatten wurde Germanium mit einer im Wellenlängenbereich 2 /um^^^ 16 /um relativ guten Transparenz für Infrarotstrahlung und mit einem zur Modulation nichtmonoChromatiseher, konvergenter Strahlung nahezu optimalen Brechungsindex vorgeschlagen. Es gibt jedoch Anwendungsfälle, bei denen, z.B. durch relativ hohe Arbeitstemperatur oder durch eine größere erforderliche Dicke der Interferometerplatten, die Absorption von Germanium (10 bis 20%/cm) zu hoch wird und daher Materialien mit einer besseren Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung eingesetzt werden müßten. Dies ist jedoch nicht ohne weiteres möglich, da Materialien mit höherer Infrarot-Durchlässigkeit im Vergleich zu Germanium einen relativ geringen Brechungsindex besitzen und daher im Fabry-Perot-Interferometer nur eine relativ niedrige Modulation ergeben.

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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Verwendung von Materialien mit im Vergleich zu Germanium relativ geringem Brechungsindex und geringem Absorptionsvermögen zur Herstellung der Interferometerplatten eines Infrarot-Modulators der vorgenannten Art zu ermöglichen. Dadurch soll erreicht werden, daß der Infrarot-Modulator insgesamt einen besseren Modulationsgrad der einfallenden Strahlung garantiert und auch für höhere Arbeitstemperaturen ausgelegt werden kann.

Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe durch einen Infrarot-Modulator mit dem in Anspruch 1 beschriebenen Aufbau gelöst werden kann.

Der Grundgedanke des erfindungsgemäßen Modulators besteht also darin, daß drei parallel angeordnete Interferometerplatten verwendet und die zu modulierende Infrarot-Strahlung dadurch nacheinander durch zwei Interferometerspalte hindurchgeleitet wird. Die Spaltweiten werden dabei durch Schwingungsanregung der mittleren Interferometerplatte und Fixierung der beiden äußeren Platten periodisch derart variiert, daß die Spaltweitenänderung des einen Spaltes gleich der negativen Spaltweitenänderung des anderen Spaltes ist.

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Ein besonders vorteilhaftes Material zur Herstellung der Interferometerplatten ist in Anspruch 2 genannt.

Eine sehr genaue Justierung der Interferometerplatten und Einstellung der Spaltweiten läßt sich erfindungsgemäß mit Hilfe der Keil-Anordnung nach Anspruch 3 erreichen.

Des weiteren wird die Justierung der Platten und Spaltweiten durch die Maßnahmen nach Anspruch 4 erheblich vereinfacht. Es bereitet praktisch keine Schwierigkeiten, die in den Randbereichen aufgedampften Metallschichten mit hoher Genauigkeit in gleiche Flächen zu unterteilen, so daß zur Einstellung der Platten-Parallelität und der optimalen Spaltweiten lediglich - in Brückenschaltungen die aus diesen Schichten bestehenden Kondensatoren genau auf gleiche Kapazität abzugleichen sind. Der Zeitaufwand für die Justage wird dadurch auf einen Bruchteil der Zeit reduziert, die ohne diese Hilfsmittel mit herkömmlichen Maßnahmen, beispielsweise mit Laseranordnungen, erforderlich wäre.

Die als Elektroden der Meßkondensatoren dienenden Metallschichten können, nachdem sie untereinander verbunden sind,

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zur Resonanzanregung der mittleren Interferometerplatte und Abgreifen einer Rückkopplungsspannung verwendet werden; vergleiche Ansprüche 5 und 6.

Schließlich ist erfindungsgemäß noch vorgesehen, auf eine oder auf beide Außenflächen der Interferometerplatten einen Filterbelag für den zu modulierenden Wellenlängenbereich aufzubringen. Dieser Filter muß in der Regel als separates Bauelement in den zu modulierenden IR-Strahl gebracht werden und verursacht unnötige Reflexions- und Absorptionsverluste.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung der Wirkungsweise, der Beschreibung von Ausführungsbeispielen sowie aus den beigefügten Abbildungen hervor.

Es zeigt

Figur 1 in schematischer Vereinfachung einen Querschnitt durch einen Infrarot-Modulator gemäß einer Ausführungsart der Erfindung,

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Figur 2 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Infrarot-Durchlässigkeit eines einfachen Fabry-Perot-Interferometers von der Spaltweite,

Figur 3 in graphischer Darstellung die Abhängigkeit der Modulationsamplitude von der Bandbreite der einfallenden Strahlung bei optimaler Plattenjustage für eine Wellenlänge von 15 /um,

Figur 4a schematisch und im Schnitt entlang der Linie A-A in Figur 4b das Resonanz-Schwingungssystem für den Modulator nach Figur 1,

Figur 4b schematisch eine Draufsicht auf das Resonanz-Schwingungssystem nach Figur 4a,

Figur 5 schematisch im Schnitt (links) und in Draufsicht auf die einzelnen Platten (rechts) die Anordnung der zur Justage und Schwingungsanregung des Infrarot-Modulators dienenden Metallschichten auf den Interferometerplatten,

Figur 6 eine Schaltung zur kapazitiven Schwingungsanregung des Modulators nach Figur 1 bis 5 mit kapazitiver Rückkopplung

Figur 7 in Seitenansicht, zur Hälfte radial aufgeschnitten einen vollständigen Infrarot-Modulator nach der Erfindung.

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Der grundsätzliche Aufbau eines Infrarot-Modulators nach der Erfindung ist in Figur 1 wiedergegeben. Er besteht aus drei Interferometerplatten 1,I¹ und 2, von denen die beiden äußeren (1,1*) fixiert, die mittlere (2) dagegen schwingungsfähig in dem Gehäuse 6 aufgehängt sind. Die Interferoneterspalte (links) sind mit 4 und 4¹ bezeichnet. Sie werden von der Infrarotstrahlung in Richtung der Pfeile durchsetzt.

Bei den erfindungsgemäßen Infrarot-Modulator sind die Interferoneterspalte 4 und 4* in Figur 1 im Ruhezustand auf jr ^ und §■ ^ einjustiert, wobei /^ die Bandmittenwellenlänge der zu nodulierenden Infrarotstrahlung bedeutet. Diese beiden Arbeitspunkte ergeben eine mittlere Infrarotdurchlässigkeit und sind in Figur 2 markiert. Wenn die mittlere Interferometerplatte 2, während die beiden äußeren Interferometerplatten 1,1* fixiert sind, periodisch um ihre Ruhelage schwingt, vergrößert sich der Spalt 4 um den gleichen Betrag um den sich der Spalt 4¹ verkleinert und umgekehrt. Die Durchlässigkeit beider Spalte 4,4' für die Bandnittenwellenlange Pi verändert sich also, wie aus Figur 2 ersichtlich ist, jeweils gleichsinnig zwischen einem maximalen und minimalen Extremwert, wodurch sich eine

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Quadrierung des Interferometereffektes ergibt. Die Modulation ist optimal wenn die IR-Strahlung parallel und monochromatisch ist. In diesem Falle können die in Figur 2 markierten Arbeitspunkte auch auf benachbarte Flankenmitten bei größerer Spaltweite (jeweils(2#-v/y Δ- \χαδ(&-4) y ) ein justiert werden, (n = 1,2,3 )

Vie in dem Diagramm nach Figur 3 dargestellt ist, nimmt bei nichtmonochromatischer Strahlung mit y^*als Bandmittenwellenlänge die Modulation Z^mit zunehmender Bandbreite Δ.?1 ab. Diese Modulationsabnahme ist für größere Spaltweiten wesentlich stärker, weshalb praktisch nur die in Figur 2 markierten Arbeitspunkte in der 2. und 3. Flanke der Durchlässigkeitskurve sinnvoll sind.

Die Figuren 4a und 4b zeigen, wie die mittlere Interferometerplatte 2 mit einen dreiarmigen Biegeschwinger 5 schwingungsfähig am starren Außenrahmen 6 des Modulators aufgehängt werden kann.

Diese Interferometerplatte 2 schwingt mit einer Amplitude von etwa 2. um ihre Ruhelage und kann dabei als in sich starr angesehen werden, während die Federelemente 5 auf Biegung beansprucht sind.

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Aus Figur 5 ist die Anordnung und Ausbildung der metallischen Beschichtungen 7,7',8 auf den nichtdurchstrahlten Randzonen der Interferometerplatten 1,1',2 ersichtlich. Die Platten 1,1',2 selbst bestehen in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung aus hochohmigem Material, insbesondere aus dotiertem, einkristallinem Cadmiumtellurid. Mit Hilfe dieser aufgedampften Metallschichten 7,7',8 läßt sich in einfacher Weise eine kapazitive Spaltweitenjustage sowie eine kapazitive Schwingungsanregung mit kapazitiver Rückkopplung erreichen.

Wenn sich die Metallschichten 7,7' auf den äußeren Interferometerplatten 1,1' auf Massepotential befinden, kann über die Plattenkondensatoren, die jeweils von den äußeren Metallschichten 7,7* und.den drei genau flächengleichen Segmenten der Metallschicht 8 der mittleren Interferometerplatte 2 gebildet werden, die Spaltweitenjustierung auf die zu modulierende Bandmittenwellenlänge erfolgen. Sind die drei Teilkapazitäten eines jeden Spaltes untereinander gleich und entsprechen dem Sollwert, so sind die Interferometerplatten 1,1'2 optimal justiert. Danach werden die Segmente der metallischen Schicht 8 auf der mittleren Platte untereinander verbunden und auf Massepotential gelegt, so daß die kapazitive Resonanzanregung

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der Schwingung mit Hilfe der Schaltung nach Figur 6 über die äußere Platte 1 und die kapazitive Rückkopplung über die äußere Platte V erfolgen kann.

Figur 6 zeigt eine Möglichkeit einer Schaltung zur kapazitiven Schwingungsanregung mit kapazitiver Rückkopplung, wobei die Amplitude die Spaltweitenänderung durch Kombination von Mit- und Gegenkopplung am Eingang eines Operationsverstärkers auf einem Optimalwert von etwa ?L festgelegt werden kann.

Figur 7 zeigt eine praktische Ausführungsform des an Hand ider vorangegangenen Figuren in seiner Wirkungsweise erläuterten Modulators nach der Erfindung. Das Kernstück des Modulators bilden die Interferometerplatten 1,1',2 mit ihren justierbaren Spalten 4 amd 4¹. Die mittlere Interferometerplatte 2 ist mit drei stäbchenförmigen Biegereetmatoren 5 am starren Außenrahmen 6 des Modulators befestigt. Die Position der äußeren Platten 1 und I¹ gegenüber der inneren Platte 2 kann mittels dreier um 12O°C versetzt angeordneter Feingewindeschrauben 7 grob justiert werden. Dabei stützt sich die Einspannvorrichtung 17 der Platten 1,I¹ auf je einem King 9,9', der seinerseits durch

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drei in Radialnuten 10 laufende Keile 11 mit etwa 1° Keilwinkel gegenüber dem äußeren Modulatorrahmen 6 axial verschiebbar ist. Die axiale Feinjustage der Interferometerspalte 4,4' erfolgt mittels dreier Feingewindeschrauben 12, die die drei Keile 11 in Radialnuten 10 verschieben, wobei der Stützring 9,9' in 3-Punktjustage axial verschoben werden kann. Das Innere des Modulators ist über die Pumpöffnung 13 auf etwa 10~ Torr evakuiert, um eine Resonanzschwingung mit hoher Güte zu erzielen. Zwei Dichtungsringe 14 aus Gummi verschließen den Innenraum. Die Schwingungsanregung des erfindungsgemäßen Modulators erfolgt in der in Figur 5 und 6 beschriebenen Weise und ist hier nicht gezeigt.

Eine Kondensorlinse 15 sorgt in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel der Erfindung dafür, daß die einfallende Infrarotstrahlung, nachdem sie den erfindungsgemäßen Modulator durchsetzt hat, auf einen hier nicht gezeigten Infrarotdetektor fokussiert wird, wie durch die Pfeile 16, 16' symbolisch angedeutet ist.

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Claims

Patentansprüche

1. Nach dem Prinzip eines Fabry-Perot-Interferometers aufgebauter Infrarot-Modulator mit planparallel zueinander angeordneten Interferometerplatten, die aus für den zu modulierenden Spektralbereich schwach absorbierendem Material bestehen und deren Abstände voneinander durch mechanische Resonanzschwingungen periodisch variierbar sind, nach Patent (Patentanmeldung

P 22 42 438.0) dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot-Modulator drei Interferometerplatten (l,2,l^!) aufweist, die zusammen zwei auf die zu modulierende Wellenlänge abgestimmte, von der zu modulierenden Strahlung (3,16) nacheinander durchsetzte Interferometerspalte (4,4*) bilden, und daß die beiden äußeren Interferometerplatten (1,I¹) fixiert sind und die innere Interferometerplatte (2) an einem Biegeresonator (5) schwingungsfähig aufgehängt ist.

2. Infrarot-Modulator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometerplatten (1,2,1') aus dotiertem, einkristallinem Cadmiumtellurit (CdTe) mit hohem spezifischen elektrischen Widerstand und mit niedriger Infrarot-Absorptionsfähigkeit bestehen.

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3. Infrarot-Modulator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometerplatten (1,2,1*) kreisscheibenförmig ausgebildet sind und daß die Parallelität dieser Platten sowie die Ruhespaltweiten zwischen der mittleren (2) und den beiden äußeren Platten (1,1*) unabhängig voneinander mit Hilfe von jeweils, d.h. je Spalt, drei um 120° versetzt angeordneten, radial verschiebbaren Keilen (6) feinjustierbar sind.

4. Infrarot-Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Interferometerplatten (1,1*,2) kreisscheibenförmig ausgebildet sind, aus hochohmigem Material bestehen und in ihrem nichtdurchstrahlten Randbereich aufgedampfte Metallschichten (7,7',8) besitzen, die in jedem Interferometerspalt (4,4*) drei gleichmäßig über die Randzone verteilt angeordnete Kondensatoren bilden, deren Kapazitätsänderung bei Verstellung der Spaltweiten oder der Parallelität zur Justierung dieser Platten verwendbar ist.

5. Infrarot-Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Innenseiten im nichtdurchstrahlten Randbereich der Interferometerplatten (1,1*2) elektrisch leitende Beschichtungen (7,7',8) aufgedampft sind und daß die Resonanzanregung des Biege-

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resonators kapazitiv durch Anlegung einer statischen und einer Wechselspannung an die elektrisch leitenden Beschichtungen (7,8) eines Interferometerspaltes erfolgt, während über die Beschichtung (7',8) des anderen Interferometerspaltes bei Anlegung einer statischen elektrischen Vorspannung eine Rückkopplungsspannung abnehmbar ist.

6. Infrarot-Modulator nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet. daß die elektrisch leitenden Beschichtungen (8) in dem Randbereich der Interferometerplatten (2), zumindest je eine Beschichtung pro Spalt, in drei gleichmäßig verteilte, um 120° versetzte Abschnitte unterteilt und als Kondensatoren zur Justierung der Interferometerplatten (1,I¹,2) verwendbar sind.

7. Infrarot-Modulator nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine oder beide Außenflächen der Interferometerplatten (1,1*,2) mit einem aufgedampften Filterbelag für den zu modulierenden Vellenlängenbereich versehen sind.

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