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Spektroskopie über spannungsinduzierte Doppelbrechung

Stefan Schallmeiner

 

Die Spektroskopie ist eine zentrale Methode im Rahmen der chemischen Analyse von Stoffen und deren Gemischen. Die grundlegenden Verfahren sind im Wesentlichen sehr gut beschrieben und werden in vielen Bereichen der Naturwissenschaften angewandt. Größter Nachteil bestehender Verfahren ist entweder deren komplexer mechanischer Aufbau oder die kostspieligen benötigten Materialien für optische Apparaturen.

Ziel dieser Arbeit ist es, die Ansprüche an die Realisierung gängiger Spektroskopiemethoden zu senken. Dazu wird untersucht, inwiefern sich Mechanismen der optischen Doppelbrechung eignen, um wesentliche Bestandteile gängiger Spektrometer zu ersetzen.

Abbildung 1: Versuchsaufbau spannungsinduzierte Doppelbrechung

Zunächst werden die Grundlagen des Brechungsindex und der Doppelbrechung betrachtet und im Zusammenhang mit der Spannungsoptik eine Analogie zur Fourier-Transformations-Spektroskopie hergestellt. Die präsentierten Versuche zeigen, wie sich die Doppelbrechung nutzen lässt, um das zur Fourier-Transformations-Spektroskopie benötigte Interferometer zu ersetzen. Es wird gezeigt, dass diese Auflösung mit einem vorgestellten Zeilensensor, welcher eine Pixelfläche von 63.5 µm x 63.5 µm aufweist, sowohl in Zeilenrichtung, als auch in Laufrichtung der Polyethylenfolie, mit einer 1:1 Abbildungsoptik, erreicht wird.
Die Videoausgangsspannung des Zeilensensors wird mit einer Verstärkerschaltung um den Faktor 2 verstärkt und einem vom Raspberry Pi gesteuertes Offsetsignal in den Messbereich des 8 Bit ADCs verschoben.
Der Abtastzeitpunkt des ADCs wird mit Hilfe eines CPLDs und einem Zeitverzögerungschip exakt auf den dafür vorgesehenen Zeitpunkt gesteuert.
Nach der Digitalisierung mit einer Zeilenabtastrate von 63.378 kHz, mit 64 Pixel pro Zeile, der Messdaten werden sie in einem 32 kB FIFO-Speicher zwischengespeichert, wo sie von einem Raspberry Pi ausgelesen werden.
Um auf den Raspberry Pi eine Streaminggeschwindigkeit von 4 MB/s erreichen zu können, wird ein System aus verschiedenen entwickelten Kernelmodulen und Programmen vorgestellt.
Der Raspberry Pi streamt die Messdaten, nach einer minimalen Signalverarbeitung auf eine externe Festplatte, wo sie dann für Offlineanalysen bereitstehen.

Für den Beweis der Funktionstüchtigkeit wurde probeweise eine Magnetfeldmessung einer beschichteten Polyethylenfolie in der Produktion durchgeführt, wobei ein Auschnitt davon in Abbildung 1 zu sehen ist, und es wird auf die Ergebnisse kurz eingegangen.
Dabei wird gezeigt, dass die Mikrostrukturen von dem Messgerät auch in voller Bandgeschwindigkeit aufgelöst werden und auf Basis dieser Werte eine qualitative Aussage über die Beschichtung getroffen werden kann und somit auch empirische Daten für eine Signalverarbeitungsentwicklung liefern kann.

Schlagwörter: Spektroskopie, Doppelbrechung, Fourier-Transformationsspektroskopie, Michelson-Interferometer

03. Februar 2017