Hallo! Ich habe aus relativ günstigen Komponenten ein Fouriertransform-Spektrometer zusammengeklebt, und es funktioniert tatsächlich so grob ;) Die Auflösung ist natürlich schrecklich, aber evtl. kann man da noch was rausholen. Die lustige Idee ist, den Verschiebetisch zu bauen indem man die Temperatur von einem Stück Alu ändert; mir fällt keine andere einfache Möglichkeit ein, Schrittweiten im 100 nm-Bereich zu realisieren. Falls es jemanden interessiert, hier ist eine ausführlichere Beschreibung: http://blog.svenbrauch.de/2017/04/05/poor-mans-optics-50-fourier-transform-spectrometer/ Viele Grüße, Sven
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Cool! Ich würde das ganze auf eine Granitplatte (Küchenzubehör) kleben und Eisen(Stahl) hat nur die Hälfte Temperaturausdehnung. Denn in der Anordnung muß man man die Abstände ja eher im 10nm als im 100nm-Bereich variieren können. Oder noch darunter. Aber insgesamt: Respekt!
Carl D. schrieb: > Ich würde das ganze auf eine Granitplatte (Küchenzubehör) kleben Das wäre sicherlich besser, da hast du Recht. Das Holz ist Mist ... aber man kann eben leicht Löcher reinbohren. > Eisen(Stahl) hat nur die Hälfte Temperaturausdehnung. Denn in der > Anordnung muß man man die Abstände ja eher im 10nm als im 100nm-Bereich > variieren können. Oder noch darunter. Das stimmt nicht: wenn du das sichtbare Spektrum sampeln willst, ist die kleinste Wellenlänge 400 nm; du brauchst 2 Samples pro Periode und die Spiegelposition geht zweimal in die Armlänge ein, also 100 nm. Kleinere Schritte sind nur "Oversampling", was die Bandbreite Richtung UV ausdehnt, wo der Detektor sowieso nichts sieht. Tatsächlich sollte man eher was mit größerem Ausdehnungskoeffizienten nehmen, weil eine insgeamt größere Verfahrstrecke die Auflösung verbessert. > Aber insgesamt: Respekt! Danke ;)
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Hui, das geht sogar noch deutlich besser wenn man die Daten ein bisschen großzügiger in die Rechnung einbezieht ;)
Ich habe gelesen, das für so feine Positionieraufgaben oft Piezoelemente verwendet werden. Könnte man nicht versuchen, das mit einer handelsüblichen Piezoscheibe zu positionieren? Das wäre schneller steuerbar. Man könnte den Spiegel vorn mit Gummi fixieren, und von hinten mit der Piezoscheibe hineindrücken. Ich meine damit sowas: http://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/EKULIT-190070.pdf Die Frage ist, wie weit sich handelsübliche Piezoscheiben dehnen, und ob das nicht zu grob ist. Wie linear das ist, wird auch keiner so genau wissen. Andererseits ist es nicht weiter kompliziert, die Spannung mittels DAC z.B. in 500µV-Schritten zu steuern oder noch feiner.
Normalerweise wird der Verfahrweg anhand eines laserintrerferometers bestimmt und damit aktiv geregelt.
Hmm schrieb: > Ich habe gelesen, das für so feine Positionieraufgaben oft Piezoelemente > verwendet werden. > Nennt sich Piezo oder Ultraschallmotor und ist in modernen Kameraobjektiven verbaut. Guckst du hier: https://www.physikinstrumente.de/de/technologie/piezoelektrische-antriebe/piline-ultraschall-piezomotoren/
Hans-Georg L. schrieb: > Hmm schrieb: >> Ich habe gelesen, das für so feine Positionieraufgaben oft Piezoelemente >> verwendet werden. >> > > Nennt sich Piezo oder Ultraschallmotor und ist in modernen > Kameraobjektiven verbaut. > > Guckst du hier: > > https://www.physikinstrumente.de/de/technologie/piezoelektrische-antriebe/piline-ultraschall-piezomotoren/ Ich dachte eigentlich eher daran: http://www.pi-usa.us/tutorial/4_39.html Nur halt statt einem Stack ein einzelnes Element. Und so eine Piezoscheibe von Reichelt ist ja nichts anderes, als ein Element eins solchen Stacks. Die Verfahrstrecke ist halt auf ein paar µm eingeschränkt, denke ich. Müsste man probieren.
Hmm, also eine einzelne Piezo-Scheibe hat glaube ich zu wenig Verfahrweg. Die sind so 100 µ dick, bei einer Auslenkung von 0.2% bei 100 V (die man auch erstmal haben muss als Steuerspannung) sind das 200 nm ... Ich denke generell sind Piezo-Elemente hier nicht nützlich, der Weg ist einfach zu klein. Für ein vernünftiges Ergebnis will man sowas wie 10.000 Fringes durchfahren, das sind 3 mm. Den Verfahrweg anhand eines Interferometers zu regeln finde ich aber ehrlich gesagt ebenfalls keine gute Idee für dieses Experiment -- warum? Es würde völlig genügen, wenn ich die momentane Verfahrposition messen kann, wie sich der Spiegel dann bewegt, ist egal. Per Interferometer messen und dann mit irgendeinem Linearmotor bewegen ist sicherlich die beste Option. Die Regelung ist nur sinnvoll für z.B. Gravitationswellendetektoren, die aus verschiedenen Gründen gern im Minimum messen wollen.
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Sven B. schrieb: > Für ein vernünftiges Ergebnis will man sowas wie > 10.000 Fringes durchfahren, das sind 3 mm. Vielleicht ist dann ein Lautsprecher das geeignete Antriebssystem. Den könnte man sogar mit 50Hz aus dem Netztrafo antreiben. Die Verwendung eines Hilfslasers zur interferometrischen Positionsbestimmung halte ich aber für nötig. Bei einer Amplitude von 1,5mm kämen die Fringes dann mit einer max. Frequenz von 314*5000 also 1,6MHz. Das sollte noch gut zu verarbeiten sein, und man könnte das Triggersignal für den ADC direkt daraus ableiten. Auch Piezoantriebe haben Hysterese und würden wohl nicht ohne auskommen. In Zeiten, in denen man z.B. ausgediente AAS-Geräte gelegentlich sogar geschenkt bekommt, wäre das aber wirklich nur eine Fingerübung oder, wie du schreibst, ein "Proof of Concept".
Hp M. schrieb: > Sven B. schrieb: >> Für ein vernünftiges Ergebnis will man sowas wie >> 10.000 Fringes durchfahren, das sind 3 mm. > > Vielleicht ist dann ein Lautsprecher das geeignete Antriebssystem. Die Idee finde ich ziemlich clever. Vielleicht probiere ich das sogar mal aus. Das größte Problem wird aber wahrscheinlich wie bisher sein, dass der Spiegel nicht genau parallel zur Strahlrichtung bewegt wird ... > Den könnte man sogar mit 50Hz aus dem Netztrafo antreiben. > Die Verwendung eines Hilfslasers zur interferometrischen > Positionsbestimmung halte ich aber für nötig. > Bei einer Amplitude von 1,5mm kämen die Fringes dann mit einer max. > Frequenz von 314*5000 also 1,6MHz. > Das sollte noch gut zu verarbeiten sein, und man könnte das > Triggersignal für den ADC direkt daraus ableiten. Diesen Überlegungen kann ich nicht ganz folgen. Ein 3 MSa/s ADC ist eine ziemlich komplexe Sache, das kann man nicht so einfach aus der Tasche zaubern. Die Samplerate so hoch zu wählen nur für den Preis die 50 Hz vom Netz verwenden zu können vereinfacht das System sicherlich nicht ... dann lieber einen 100 mHz Sägezahngenerator bauen und langsamer abtasten. Das Triggersignal aus den Fringes ableiten kannst du definitiv nicht, denn wenn du dann davon ausgehst dass die Samples immer das gleiche Spacing haben kommt immer ein Sinus raus. Der Referenzlaser ist leider in diesem Setup schwer realisierbar, weil die Laserdioden natürlich nicht Single Mode sind ... Trotzdem, gute Idee und vielleicht einen Versuch wert. Viele Grüße, Sven
Sven B. schrieb: > Ein 3 MSa/s ADC ist eine ziemlich komplexe Sache, das kann man nicht so > einfach aus der Tasche zaubern. Ach, das sehe ich nicht so problematisch. Ein AD7357 z.B. schafft 4,2Msps mit 14 Bit. Wenn man den nicht kaufen kann, muss man ihn sich eben schenken lassen. Wie man diese Datenflut mit einem FPGA bändigt, hast du ja schon bei deinem Empfänger für die H-Linie ausprobiert. Zum Abspeichern ist ja selbst ein USB2.0 Anschluss noch schnell genug. Aber du hast Recht, ein Funktionsgenerator als Antrieb ist natürlich kultivierter. Allerdings würde ich auch da keinen Sägezahn, sondern einen Sinus nehmen, damit nicht die Oberwellen irgendwelche mechanische Resonanzen anregen. Sven B. schrieb: > Das Triggersignal aus den Fringes ableiten kannst du definitiv nicht, > denn wenn du dann davon ausgehst dass die Samples immer das gleiche > Spacing haben kommt immer ein Sinus raus. Aus den Fringes des Hilfslasers! Da könnte man, genau wie bei den Radar-Bewegungsmeldern, zwei Photodioden im (2n+1)*λ/4 Abstand anbringen und so ein sin/cos Signal gewinnen. Zur Auswertung reichen dann zwei Komparatoren und ein Flipflop zur Erkennung der Fahrtrichtung. Da der Strahl des Hilfslasers ziemlich dünn sein kann, sollte es ausreichen, wenn er von einem Punkt in der Mitte des Spiegels reflektiert wird. Dorthin kann man ihn mit einem vor dem Hauptspiegel angeordneten 45° Spiegelchen bringen, der dann auch gleich den leuchtenden Punkt vom Meßlicht abschirmt. ================== bewegter Hauptspiegel, geht rauf und runter \ --------------PD-PD--LASER fester 45° Spiegel, Hilfslaser Im Prinzip. Der Teufel steckt natürlich wie immer im Detail ;-) P.S.: Die konkurrierenden Gitterspektrometer kranken ja hauptsächlich daran, dass man mit hohen Linienzahlen/mm nicht in langwellige Bereiche vorstossen kann. Diese Manko kann man mit einem Echelle-Spektrometer beheben: https://de.wikipedia.org/wiki/Echellegitter Ich habe hier noch den Kopf eines 1m Gerätes, dessen Gitter iirc nur 42 Linien/mm besass. Damit habe ich im UV in der Gegend der 100. Ordnung gemessen, die Auflösung war besser als 6pm. Aber es sollte auch im IR noch funktionieren. Im Original wurden Gitter und Prisma von Präzionsspindeln und Hebeln betätigt. Das ist Geschichte. Ich habe hier schon die NoIR-Kamera des Raspi liegen. Mal sehen, wann ich das zusammenbringe.
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Hp M. schrieb: > Sven B. schrieb: >> Ein 3 MSa/s ADC ist eine ziemlich komplexe Sache, das kann man nicht so >> einfach aus der Tasche zaubern. > > Ach, das sehe ich nicht so problematisch. Ein AD7357 z.B. schafft > 4,2Msps mit 14 Bit. > Wenn man den nicht kaufen kann, muss man ihn sich eben schenken lassen. > Wie man diese Datenflut mit einem FPGA bändigt, hast du ja schon bei > deinem Empfänger für die H-Linie ausprobiert. Zum Abspeichern ist ja > selbst ein USB2.0 Anschluss noch schnell genug. Jaja, hat auch nur ein Jahr gedauert und 2 Versuche mit 4-Layer-Boards und mehreren hundert Bauteilen gebraucht, und ein paar tausend Zeilen Software :D Klar würde ich das jetzt schneller hinbekommen, aber wenn man nicht das Demoboard auf dem Tisch liegen hat was das schon alles komplett macht ist es weit von trivial. Den passenden ADC finden ist nicht das Problem, das Problem ist dessen Peripherie. > Allerdings würde ich auch da keinen Sägezahn, sondern einen Sinus > nehmen, damit nicht die Oberwellen irgendwelche mechanische Resonanzen > anregen. Hmm. Da hast du Recht, das blöde am Sinus ist nur, dass du in den relativ signalarmen Außenbereichen am längsten herumstehst ... aber dein Argument schlägt wahrscheinlich trotzdem. > Sven B. schrieb: > Aus den Fringes des Hilfslasers! Das stimmt. > Da könnte man, genau wie bei den > Radar-Bewegungsmeldern, zwei Photodioden im (2n+1)*λ/4 Abstand anbringen > und so ein sin/cos Signal gewinnen. Zur Auswertung reichen dann zwei > Komparatoren und ein Flipflop zur Erkennung der Fahrtrichtung. Das wiederum geht nicht, den Verfahrweg kannst du nur vor dem Beam Splitter ändern. Zwei in Strahlrichtung versetzte Photodioden sehen dasselbe Signal. > Da der Strahl des Hilfslasers ziemlich dünn sein kann, sollte es > ausreichen, wenn er von einem Punkt in der Mitte des Spiegels > reflektiert wird. > Dorthin kann man ihn mit einem vor dem Hauptspiegel angeordneten 45° > Spiegelchen bringen, der dann auch gleich den leuchtenden Punkt vom > Meßlicht abschirmt. > > ================== bewegter Hauptspiegel, geht rauf und runter > > \ --------------PD-PD--LASER fester 45° Spiegel, Hilfslaser Hmm. Der Hilfslaser muss den gleichen Strahlweg durchlaufen wie das Messlicht, nur nebendran. Mir ist nicht klar, wo da ein kleiner 45°-Spiegel nötig, hilfreich oder auch nur möglich ist ;) Kann man einfach daneben stellen, oder? > P.S.: > Die konkurrierenden Gitterspektrometer kranken ja hauptsächlich daran, > dass man mit hohen Linienzahlen/mm nicht in langwellige Bereiche > vorstossen kann. Und an der geringen Effizienz bei nicht perfekt punktförmigen Quellen. Viele Grüße, Sven
Sven B. schrieb: > Mir ist nicht klar, wo da ein kleiner > 45°-Spiegel nötig, hilfreich oder auch nur möglich ist ;) Ist einfach nur eine Idee um, ähnlich wie beim Newton-Teleskop, aus dem Strahlengang des Interferometers heraus zu kommen. Alternativ könnte man den bewegten Spiegel auch von dessen Rückseite her mit dem Hilfslaser beleuchten. Dafür einfach ein Loch in den mittleren Polschuh eines Lautsprechermagneten zu bohren, dürfte aber böse enden ;-) Vernünftige Meßgenauigkeit wirds ohne Thermostatisierung wohl nicht geben. Die Optik des oben geschilderten Echelle-Spektrometers befand sich in einer thermostatisierten Aluminiumkiste von der Größe eines Kindersarges mit einer Wandstärke von 10mm. Nach meiner Kenntnis werden FT-Spektrometer aber nicht für den Bereich des sichtbaren Lichts gebaut, sondern hauptsächlich für den analytisch genutzten IR-Bereich, also etwa 2,5..16µm. Dafür wird es Gründe geben. Vielleicht ist die mechanische Präzision des Antriebs bei den kurzen Wellen des sichtbaren und UV-Lichts nicht zu erreichen. https://de.wikipedia.org/wiki/FTIR-Spektrometer
Fragt sich nur für was man das brauchen kann ...
nachtmix schrieb: > Sven B. schrieb: >> Mir ist nicht klar, wo da ein kleiner >> 45°-Spiegel nötig, hilfreich oder auch nur möglich ist ;) > > Ist einfach nur eine Idee um, ähnlich wie beim Newton-Teleskop, aus dem > Strahlengang des Interferometers heraus zu kommen. Alternativ könnte man > den bewegten Spiegel auch von dessen Rückseite her mit dem Hilfslaser > beleuchten. > Dafür einfach ein Loch in den mittleren Polschuh eines > Lautsprechermagneten zu bohren, dürfte aber böse enden ;-) Ich hab aber nicht verstanden warum ich aus dem Strahlengang des Interferometers raus will ;) Ich will doch zweimal genau denselben Strahlengang für Referenz und Messsignal, nicht? Nur zwei Detektoren nebeneinander. > Nach meiner Kenntnis werden FT-Spektrometer aber nicht für den Bereich > des sichtbaren Lichts gebaut, sondern hauptsächlich für den analytisch > genutzten IR-Bereich, also etwa 2,5..16µm. > Dafür wird es Gründe geben. Ja, die habe ich hier mal recht ausführlich aufgeschrieben: http://blog.svenbrauch.de/2017/04/25/fourier-transform-spectrometers-vs-grating-spectrometers/ > Vielleicht ist die mechanische Präzision des Antriebs bei den kurzen > Wellen des sichtbaren und UV-Lichts nicht zu erreichen. > https://de.wikipedia.org/wiki/FTIR-Spektrometer Nein, das ist nicht das Problem. Im IR ist das FT-Spektrometer einfach unbestreitbar besser als die Alternativen, im UV/Vis fällt ein wesentlicher Vorteil weg. Ehrlich gesagt weiß ich nicht, ob das FT im UV/Vis nicht für viele Situationen trotzdem die bessere Wahl ist und das nur historisch bedingt weniger gemacht wird. > Fragt sich nur für was man das brauchen kann ... Ich weiß nicht worauf sich das jetzt bezieht.
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Kann man damit den Spektrumverlauf einer Leuchtquelle bestimmen ?
H-G S. schrieb: > Kann man damit den Spektrumverlauf einer Leuchtquelle bestimmen ? Ja, genau. Allerdings nur wenn man die Armlängen so abstimmt, dass der Längenunterschied nicht erheblich größer ist als die Kohärenzlänge.
Sven B. schrieb: > Allerdings nur wenn man die Armlängen so abstimmt, dass der > Längenunterschied nicht erheblich größer ist als die Kohärenzlänge. Die Kohärenzbedingung trifft aber auch für Gitterspektrometer und sicherlich auch für Prismenspektrometer zu, auch wenn sie da nicht so offensichtlich ist. Wenn die Koheränzlänge zu klein ist, werden die Linien unschärfer, aber das entspricht auch der bekannten Tatsache, dass ein kurzer Impuls eine hohe Bandbreite im Frequenzspektrum benötigt. Die bescheidene Auflösung λ/Δλ -nach Augenmaß etwa 10- des obigen FT-Spektrometers beruht zweifellos auf der geringen Längenänderung, die mit diesem Aufbau möglich ist, und sie entspricht auch dem gezeigten Interferogramm, das nur 12 Minima aufweist. Dennoch scheint noch ein systematischer Fehler in der Auswertung zu stecken. Damit meine ich die beiden kleinen Maxima bei 1200nm und 1450nm. Dort ist der Si-Detektor sicherlich völlig blind und es kann sich daher nicht um Strahlung aus der Laserdiode handeln. Hast du eine Idee, wie diese Hubbel, vielleicht auch der bei 1150nm, zustande kommen? Bei dem Gras, das links der 400nm Marke wächst, könnte es sich hingegen tatsächlich um die 1. Oberwelle des Laserlichts handeln, die durch optische Nichtlinearitäten im Kristall der Laserdiode entsteht.
Carl D. schrieb: > Ich würde das ganze auf eine Granitplatte (Küchenzubehör) kleben Für größere Granitplatten mal bei der Friedhofsverwaltung nachfragen...
Sehr cooles Projekt. Gefällt mir gut.
Hi, nachtmix schrieb: > Sven B. schrieb: >> Allerdings nur wenn man die Armlängen so abstimmt, dass der >> Längenunterschied nicht erheblich größer ist als die Kohärenzlänge. > > Die Kohärenzbedingung trifft aber auch für Gitterspektrometer und > sicherlich auch für Prismenspektrometer zu, auch wenn sie da nicht so > offensichtlich ist. > Wenn die Koheränzlänge zu klein ist, werden die Linien unschärfer, aber > das entspricht auch der bekannten Tatsache, dass ein kurzer Impuls eine > hohe Bandbreite im Frequenzspektrum benötigt. Hm, ne, sehe ich anders: beim FT-Spektrometer verlierst du Kontrast, wenn die Arme nicht genau gleich lang sind, keine Auflösung. Ich weiß nicht ob es dafür so eine direkte Entsprechung beim Gitterspektrometer gibt. Dass die Kohärenzlänge mit der Linienbreite zusammenhängt ist klar, aber das rauszufinden ist ja gerade Job des Spektrometers. > Die bescheidene Auflösung λ/Δλ -nach Augenmaß etwa 10- des obigen > FT-Spektrometers beruht zweifellos auf der geringen Längenänderung, die > mit diesem Aufbau möglich ist, und sie entspricht auch dem gezeigten > Interferogramm, das nur 12 Minima aufweist. Wie gesagt, das Interferogramm ist nur ein Ausschnitt, was ich ausgewertet habe ist länger. Weiter unten ist ja auch noch ein besseres Bild. Das ist auch sicher nicht das einzige Problem an dem Aufbau; du siehst ja wie breit die Kanäle sind, und die Linie ist breiter als ein Kanal. > Dennoch scheint noch ein systematischer Fehler in der Auswertung zu > stecken. > Damit meine ich die beiden kleinen Maxima bei 1200nm und 1450nm. > Dort ist der Si-Detektor sicherlich völlig blind und es kann sich daher > nicht um Strahlung aus der Laserdiode handeln. > Hast du eine Idee, wie diese Hubbel, vielleicht auch der bei 1150nm, > zustande kommen? Ich könnte mir vorstellen, dass das daher kommt, dass der bewegte Spiegel nicht ganz gerade verfährt sondern ein bisschen kippt. Dadurch ändert sich der Phasenkontrast mit dem Verfahrweg, was als Einhüllende im Interferogramm sichtbar wird, und sich ungefähr so im Spektrum äußern sollte. > Bei dem Gras, das links der 400nm Marke wächst, könnte es sich hingegen > tatsächlich um die 1. Oberwelle des Laserlichts handeln, die durch > optische Nichtlinearitäten im Kristall der Laserdiode entsteht. Gefühlt ist das dazu viel zu groß, ich glaube es gibt plausiblere Punkte in dem System, wo Oberwellen entstehen. > Sehr cooles Projekt. Gefällt mir gut. Danke ;) Viele Grüße, Sven
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Sven B. schrieb: > Weiter unten ist ja auch noch ein besseres > Bild. Das habe ich gemeint, und gerade mal auf dem Bildschirm nachgemessen: Bei halber Höhe ist die Linie etwa 20nm breit. Das ergibt zwar λ/Δλ=35 ist aber auch nicht gerade rekordverdächtig.
nachtmix schrieb: > Sven B. schrieb: >> Weiter unten ist ja auch noch ein besseres >> Bild. > > Das habe ich gemeint, und gerade mal auf dem Bildschirm nachgemessen: > Bei halber Höhe ist die Linie etwa 20nm breit. > Das ergibt zwar λ/Δλ=35 ist aber auch nicht gerade rekordverdächtig. Ne klar, ist furchtbar. Von der Anzahl der Fringes her müsste es aber > 200 sein, deshalb meine ich der dominierende Effekt ist in dem Bild zumindest evtl. ein anderer.
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