Firma:                   Bühler

Modell:                Nirvis

Kommentar:        Dokumente deut.

Das NIR-Polarisationsinterferometer NIRVIS

Im Gegensatz zum Michelson-Interferometer ist NIRVIS ein Einstrahlinterferometer, d.h. das interferierende NIR-Licht befindet sich in einem Strahl. Interferenz wird durch eine besondere physikalische Eigenschaft von kristallinem Quarz, die Doppelbrechung, ermöglicht.

Fällt Licht auf einen anisotropen Kristall, wie z.B. Quarz oder Kalkspat so wird es in zwei Komponenten zerlegt, die jeweils senkrecht zueinander polarisiert sind und mit unterschiedlicher Geschwindigkeit den Kristall passieren.

Eine Komponente genügt dem Snellius'schen Brechungsgesetz

                    ==> Ordentlicher Strahl.

Die zweite Komponente weicht vom diesem Brechungsgesetz ab. Geschwindigkeit und Ausbreitungsrichtung sind abhängig von der Orientierung des Kristalls zur Einstrahlungsrichtung des Lichts

                    ==> Ausserordentlicher Strahl.

Dieser Sachverhalt wird in Abbildung 4 gezeigt.

Abb. 4: Zur Doppelbrechung von Licht in kristallinem Quarz. Die Fotografie verdeutlicht, dass wirklich zwei Strahlen den Kristall passieren.

In Abbildung 5 ist das Prinzipschema des Quarzkristall-Keils in NIRVIS dargestellt. Wichtig ist, darauf hinzuweisen, dass durch die spezielle Orientierung der Quarzkristalle im Strahlengang die beiden Teilstrahlen auf exakt demselben Weg durch die Keile hindurchgehen, jedoch ihre individuelle Geschwindigkeit und Polarisation beibehalten.

Beide Quarzkeile bilden zusammen einen Quader. Indem das zuvor unter 45° polarisierte Licht in den Quarz eindringt, wird es in zwei Teilstrahlen (Teilwellen) zerlegt. Aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeiten beider Teilwellen im Quarz, erfahren diese eine Phasenverschiebung gegeneinander. Wird ein Quarzkeil gegen den anderen verschoben, ändert sich die Länge einer Seite des Quaders, damit auch die optische Weglänge der Teilwellen im Quarz und infolgedesssen deren Phasenverschiebung gegeneinander. Nachdem das Licht noch einen zweiten Polarisator unter -45° passiert hat, zeigt sich ein Interferenzmuster, welches dem eines Michelson-Interferometers entspricht. Das bedeutet, dass das System als Interferometer arbeitet. Zur Festlegung der Nullposition des Interferogramms wird noch ein Kompensator-Element aus Quarz in den Strahlengang gebracht.

Die FT-NIR-Spektrometer erzeugen Interferogramme mit polychromatischem (weissem) Licht. Das Interferogramm wird in Wechselwirkung mit der zu untersuchenden Probe gebracht. Gewisse Wellenlängen (Wellenzahlen, Frequenzen) werden von der Probe absorbiert, indem dort Oberschwingungen der molekularen Gruppen angeregt werden. Beobachtet wird nun die Superposition des Interferogramms von der Lichtquelle und des Interferogramms der Probe (mit einer Phasenverschiebung von 180°, wegen der Absorption). Zu jedem Zeitpunkt t d.h. für jeden Punkt x des bewegten Spiegels oder Keils fällt weisses Licht auf die Probe und dann vermindert um die absorbierten Banden auf den Detektor. Die spektrale Information ist somit während des gesamten Weges vorhanden und wird aufsummiert => Fourier Transformation.

Vorteile der FT-Spektroskopie

1. Die Verschiebung des bewegten Spiegels oder Keils kann mittels optischer Methoden exakt bestimmt werden. Dies geschieht z.B. unter Verwendung einer monochromatischen Lichtquelle (Laser).Das Interferogramm hiervon ist eine Cosinusfunktion. Durch einfaches Abzählen der Nullpositionen können Distanzen mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. Diese Genauigkeit transformiert sich bei der im Computer durchgeführte inversen FT in die Wellenzahlskala des Spektrums.

2. Fellgett's Vorteil

Die Information aller spektralen Elemente (Frequenz) wird simultan gemessen. Mit genügender grosser Verschiebung des bewegten Spiegels oder Keils wird somit eine Erhöhung der spektralen Auflösung erzielt.

3. Sehr hohe Lichtintensitäten können das Interferometer passieren.Dies hat ein gutes Signal/Rausch-Verhältnis zur Folge.

All diese Vorteile führen für die meisten Anwendungsfälle zu einer Überlegenheit der FT­Spektrometer über dispersive Spektrometer.

Ein Nachteil von FT-Spektrometern ist, dass die durch das Instrument ausgeführte Fourier Transformation wieder "neutralisiert" werden muss. Dies geschieht in der Regel mathematisch im Computer durch die inverse FT. Angesichts der heute zur Verfügung stehenden leistungsstarken Personal Computer stellt dies kein Problem mehr dar.

Weitere Vorteile des Polarisationsinterferometers NIRVIS

Im Vergleich zur konventionellen Michelson-Interferometer besitzt unser Polarisationsinterferometer NIRVIS die folgenden Vorteile:

-      Als Einstrahl-Interferometer zeigt NIRVIS ein wesentlich höheres Mass an Robustheit.

-      NIRVIS besitzt keine komplizierten mechanischen Nachjustiereinrichtungen.

-      NIRVIS hat eine günstigere Weglängen-Phasenverschiebungs-Korrelation (optische Untersetzung). Um beispielsweise eine Phasenverschiebung von einer Wellenlänge zu erreichen, ist die Retardation im NIRVIS ca. 100 mal grösser als in einem Michelson­Interferometer. Dies resultiert in einem weiteren Mass an Robustheit.