DE4018664A1 - Grid refractometer measuring refractive index and/or stabilising - has stable air gap for use as beam splitter for wavelengths of EM radiation in medium - Google Patents
Grid refractometer measuring refractive index and/or stabilising - has stable air gap for use as beam splitter for wavelengths of EM radiation in mediumInfo
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Abstract
Description
Die Patentanmeldung betrifft ein Gitterrefraktometer zur Messung des Brechungsindexes eines Mediums und/oder zur Stabilisierung der Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung in diesem Medium. The patent application relates to a lattice refractometer Measurement of the refractive index of a medium and / or for Stabilization of the wavelength of an electromagnetic Radiation in this medium.
In der interferometrischen Längenmeßtechnik ist der Interferenzstreifenabstand der Maßstab für die Messung. Dieser Interferenzstreifenabstand ist im Vakuum konstant und entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit zur Frequenz der Strahlung. In freier Atmosphäre ändert er sich in Abhängigkeit des Brechungsindexes der Luft mit dem Wetter. Interferometer, die He-Ne Gaslaser als Strahlungs quelle benutzen, sind frequenzstabilisiert, da die Entla dungslinie der Anregung selbst sich als Frequenzreferenz anbietet. Die Einflüsse des Brechungsindexes der Luft werden parametrisch gemessen, nach der Edlen′schen Formel berechnet und als Korrektur des interferometrischen Meß wertes verwendet. Die Genauigkeit dieser Methode ist auf ca. 5×10 E-7 begrenzt.In interferometric length measurement technology it is the Interference fringe distance is the benchmark for the measurement. This interference fringe distance is constant in a vacuum and corresponds to the ratio of the speed of light to Frequency of radiation. He changes in an open atmosphere depending on the refractive index of the air with the Weather. Interferometer, the He-Ne gas laser as radiation use source are frequency stabilized because the discharge line of excitation itself as a frequency reference offers. The influences of the refractive index of the air are measured parametrically, using the noble formula calculated and as a correction of the interferometric measurement worth used. The accuracy of this method is up limited to about 5 × 10 E-7.
Wird als Strahlungsquelle ein Diodenlaser eingesetzt, so entfällt die interne Entladungslinie als Frequenzreferenz, der spektrale Emissionsbereich ist breit und die Frequenz ist abhängig vom Injektionsstrom und der Temperatur. Damit ein Diodenlaser für ein Interferometer der Längenmeßtech nik verwendet werden kann, ist eine externe Referenz not wendig, die die Größe der Frequenz oder Wellenlänge be stimmt und diese zeitlich stabilisiert.If a diode laser is used as the radiation source, then there is no internal discharge line as a frequency reference, the spectral emission range is wide and the frequency depends on the injection current and the temperature. In order to a diode laser for an interferometer of the length measuring technology nik can be used, an external reference is necessary nimble, which is the size of the frequency or wavelength true and this stabilized over time.
Es sind frequenzstabilisierte Laserdioden als Laboraufbau bekannt, die bisher nicht für Längenmeßinterferometer eingesetzt wurden.They are frequency-stabilized laser diodes as a laboratory structure known, so far not for length measuring interferometer were used.
Es sind Diodenlaser-Interferometer bekannt, deren Strah lungsquellen temperatur- und stromstabilisiert sind, deren Frequenz sich aufgrund von Hystereseeffekten und Alterserscheinungen ändert (EP-Anmeldung 1 35 000). Diode laser interferometers are known whose beam sources are temperature and current stabilized, whose frequency changes due to hysteresis effects and Signs of aging changes (EP application 1 35 000).
Es sind Refraktometer bekannt, die den Brechungsindex un abhängig vom Interferometer besser als 5×10 E-7 messen, aber nicht eindeutig sind und deshalb vor jedem Gebrauch durch Evakuieren in aufwendiger Weise an die Va kuumwellenlänge angeschlossen werden müssen.Refractometers are known which measure the refractive index better than 5 × 10 E-7 depending on the interferometer measure, but are not clear and therefore in front of everyone Use by evacuation to the Va vacuum wavelength must be connected.
Es sind interferometrische Wellenlängenstabilisierungen bekannt, deren Referenz nur 10 000 λ lang sein dürfen, da mit sie in einem Regelbereich von Δn/n=5×10 E-5 ein deutig sind und deshalb eine begrenzte Auflösung haben. Für höhere Auflösung wurden mehrere gestufte Referenzen vorgeschlagen, die den Aufwand beträchtlich erhöhen (Wel lenlängenstabilisation, in Feinwerktechnik und Meßtechnik 87 (1979), 8, pp 368-372). Diese Nachteile können ohne zusätzlichen instrumentellen Aufwand vermieden werden, wenn ein Spektrometer als Refraktometer und als Wellen längen- oder Frequenzreferenz verwendet wird, dessen Re gelsignal durch Strahlablenkung erzeugt wird und nicht durch eine Interferenzerscheinung. Der absolute Referenz punkt, das ist die Auslenkung unter Vakuum für den Bre chungsindex n=1, bleibt immer erhalten, die Messung ist absolut, wenn das Instrument so ausgeführt wird, daß die Parameter, die den Brechungsindex des Mediums beein flussen, keinen Einfluß auf die Instrumentendaten (Git terkonstante und Gitterabstand) haben und die Genauigkeit der Messung nicht beeinflussen.They are interferometric wavelength stabilizations known, the reference may only be 10,000 λ long because with them in a control range of Δn / n = 5 × 10 E-5 are clear and therefore have a limited resolution. For higher resolution, several tiered references were made proposed that significantly increase the effort (Wel length stabilization, in precision engineering and measuring technology 87: 8, pp 368-372 (1979). These disadvantages can be overcome without additional instrumental effort can be avoided, if a spectrometer as a refractometer and as waves length or frequency reference is used, the Re Gel signal is generated by beam deflection and not through an interference phenomenon. The absolute reference dot, that is the deflection under vacuum for the Bre index n = 1, is always retained, the measurement is absolutely, if the instrument is executed so that the Parameters that affect the refractive index of the medium flow, no influence on the instrument data (Git constant and grid spacing) and accuracy do not influence the measurement.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu beschreiben zur refraktometrischen Messung des Brechungs indexes eines Mediums und/oder zur Stabilisierung der Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung in diesem Medium. The invention is based on the object of a method describe for refractometric measurement of refraction indexes of a medium and / or to stabilize the Wavelength of an electromagnetic radiation in this Medium.
Das erfindungsgemäße Gitterrefraktometer zur Messung des Brechungsindexes eines Mediums und/oder zur Stabilisie rung der Wellenlänge einer elektromagnetischen Strahlung in diesem Medium ist dadurch gekennzeichnet,The grating refractometer according to the invention for measuring the Refractive index of a medium and / or for stabilization tion of the wavelength of an electromagnetic radiation in this medium is characterized
- - daß die refraktometrische Meßstrecke zwischen minde stens zwei Gittern eines Mehrgitter-Interferometers liegt, deren Dimensionen von den Parametern, die den Brechungsindex des Mediums beeinflussen, unabhängig sind und- That the refractometric measuring section between min at least two gratings of a multigrid interferometer lies whose dimensions depend on the parameters that the Refractive index of the medium affect independently are and
- - daß die durch die Änderung des Brechungsindexes des Mediums hervorgerufene Änderung der Wellenlänge spektrometrisch und/oder interferometrisch gemessen oder so geregelt wird, daß die Wellenlänge der Strahlung konstant bleibt.- That the by the change in the refractive index of Medium-induced change in wavelength measured spectrometrically and / or interferometrically or is regulated so that the wavelength of the Radiation remains constant.
Der Aufbau des Gitterrefraktometers zur Wellenlängenstabi lisierung ist so aufgebaut, daß die parallel angeordneten Gitter als Strahlteiler für ein Längenmeß-Interferometer und für das Refraktometer gemeinsam benutzt werden können. Dabei wird die Eigenart der Beugungsgitter genutzt, die Strahlung in mehrere Ordnungen zu beugen. Wird ein inkre mentales transparentes Phasengitter verwendet, so werden ca. 80% der Intensität in die +/-1. und ca. 7% in die +/-3. Ordnung gebeugt. Es ist vorteilhaft, die +/-1. Ordnung für das Längenmeßinterferometer und die +/-3. Ordnung für die Wellenlängenstabilisation zu ver wenden. Für das zweite Gitter ergeben sich die Möglichkei ten, wiederum ein transparentes Phasengitter für die +/-1. Ordnung zu verwenden, während für die +/-3. Ord nung ein reflektierendes Phasengitter vorteilhafter ist. Die Verwendung eines Amplitudengitters ist ebenfalls denk bar. Für die Ablenkung der +/-3. Ordnung in der Ebene des 2. Gitters kann auch nur ein Planspiegel verwendet werden. Am Ort des Planspiegels kann in der Ebene des zweiten Git ters auch ein DOE (für Diffractive Optical Element) ange bracht werden. Das sind zweidimensionale Gitterstrukturen mit unterschiedlichen Gitterkonstanten, die den Strahl beugen und fokussieren. Die Wahl des geeigneten optischen Elementes in der Ebene des zweiten Gitters ist auch davon abhängig, welche Beugungsordnung nach dem zweiten bzw. welche nach dem dritten Gitter zur Signalgewinnung ver wendet werden soll. Die Wahl der optimalen Kombination von Beugungsgitter und Beugungsordnung des Zentralstrahles ist von der Wahl der Meß- oder Regelmethode abhängig. Es sind zwei Methoden möglich,The structure of the grating refractometer for wavelength stabilization lization is constructed so that the arranged in parallel Grid as a beam splitter for a length measuring interferometer and can be used together for the refractometer. The peculiarity of the diffraction gratings is used, which To bend radiation in several orders. If an incre mental transparent phase grating is used, so approx. 80% of the intensity in the +/- 1. and about 7% in the +/- 3. Order hunched. It is beneficial that +/- 1. Order for the length measuring interferometer and the +/- 3. Order for the wavelength stabilization ver turn. The possibility arises for the second grid ten, again a transparent phase grating for the +/- 1. Okay to use while for the +/- 3. Ord a reflective phase grating is more advantageous. The use of an amplitude grating is also possible bar. For the distraction of the +/- 3. Order in the level of 2. Only one plane mirror can be used for the grid. At the location of the plane mirror in the level of the second git ters also a DOE (for Diffractive Optical Element) be brought. These are two-dimensional lattice structures with different lattice constants that make up the beam bend and focus. Choosing the appropriate optical Element in the plane of the second grid is also of it depending on which diffraction order after the second or which ver after the third grid for signal acquisition should be applied. Choosing the optimal combination of Diffraction grating and diffraction order of the central beam is depending on the choice of measurement or control method. There are two methods possible
- - die spektrometrische Ablenkung des Strahles, wobei man einen möglichst großen Beugungswinkel erzielen möchte durch- The spectrometric deflection of the beam, whereby one wants to achieve the largest possible diffraction angle by
- - hohe Beugungsordnung und- high diffraction order and
- - mehrfache Beugung hoher Ordnungen,- multiple diffraction of high orders,
- - die interferometrische Phasenmessung mit- The interferometric phase measurement with
- - symmetrischem Aufbau der positiven und negativen Ord nung bei- symmetrical structure of the positive and negative ord at
- - doppelter Auflösung infolge Gegenläufigkeit der Sig nale unter- Double resolution due to the contradiction of the Sig nale under
- - Berücksichtigung der Eindeutigkeit oder- taking into account the uniqueness or
- - eine gemischte spektrometrische und interferometrische Anordnung hoher Auflösung mit Bezug auf den absoluten Referenzpunkt.- a mixed spectrometric and interferometric High resolution arrangement with respect to the absolute Reference point.
Aus all diesen Konstruktionsparametern können optimale An ordnungen für den Zweck der Messung des Brechungsindexes der Luft oder der Regelung der Wellenlängenstabilität kom biniert werden. From all of these construction parameters, optimal An regulations for the purpose of measuring the refractive index the air or the regulation of the wavelength stability com be binated.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Abbildung 1 die schematische Darstellung eines spektrometrischen Gitterrefraktometers in zwei Ausfüh rungsformen als messendes Refraktometer in der +3. und als Wellenlängenstabilisierung in der -3. Ordnung. Mit 1 und 2 sind die beiden parallelen Gitterträger bezeichnet mit stabilem Luftabstand. 1a, 2a sind transparente Pha sengitter, 2c ist reflektierend unterlegt. 1b sind beu gungsoptische, fokussierende Elemente in Durch- und 1c in Auflicht. Die Laserdiode 3 strahlt über den Kollimator 1b in das Gitter 1a, die Strahlung wird gebeugt, die 1. und 3. Ordnungen sind dargestellt. Die +/-1. Ordnungen werden als Längenmeßinterferometer benutzt, wobei die Verschiebung des Tripelprismas 4 gemessen wird. Nach der Beugung am Gitter 1a durchsetzen die beiden Strahlen der + und -1. Ordnung je einen Polarisator 4c. Diese Polari satoren stehen mit ihrer Polarisationsrichtung senkrecht zueinander und unter 45° zu den Gitterstrichen 1a. Dadurch werden die Strahlen der beiden Beugungsordnungen orthogo nal zueinander polarisiert. Ein Teil dieser Strahlung wird am Gitter 2a als Referenzstrahl reflektiert, der andere als Meßstrahl gebeugt, vom Tripelprisma 4 parallelver setzt und reflektiert. Im Gitter 2a wird er erneut gebeugt und überlagert sich mit der reflektierten Strahlung der entgegengesetzten Ordnung. Der Meßstrahl der +1. Ordnung überlagert sich mit dem Referenzstrahl der -1. Ordnung und umgekehrt, wobei sie zueinander orthogonal polarisiert sind. Ein Strahlenpaar von beiden wird durch eine λ/4 Platte 1d geleitet, verzögert und 90° phasenverschoben. Die als Analysatoren geschalteten Polarisatoren 4c stehen unter 45° zu den Polarisationsrichtungen der Strahlung und drehen sie in eine gemeinsame Ebene, so daß sie interfe rieren und die Interferenzerscheinungen von den Photodio den 4a und 4b detektiert werden können. Der Signalverlauf der beiden Detektoren ist gegenläufig.In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Figure 1 shows the schematic representation of a spectrometric grating refractometer in two versions as a measuring refractometer in the +3. and as wavelength stabilization in the -3. Order. 1 and 2 denote the two parallel lattice girders with a stable air gap. 1 a, 2 a are transparent phase gratings, 2 c is reflective. 1 b are diffractive optical, focusing elements in transmitted light and 1 c in reflected light. The laser diode 3 radiates through the collimator 1 b into the grating 1 a, the radiation is diffracted, the 1st and 3rd orders are shown. The +/- 1. Orders are used as length measuring interferometers, the displacement of the triple prism 4 being measured. After diffraction at grating 1 a, the two rays of + and -1 pass through. Order one polarizer each 4 c. These polarizers are perpendicular to each other with their polarization direction and at 45 ° to the grid lines 1 a. As a result, the beams of the two diffraction orders are polarized orthogonal to one another. A portion of this radiation is reflected to the grid 2 a as the reference beam and the other diffracted as measurement beam sets parallelver from the triple prism 4 and reflected. In the grating 2a , it is diffracted again and overlaps with the reflected radiation of the opposite order. The measuring beam of +1. Order overlaps with the reference beam of -1. Order and vice versa, being polarized orthogonally to each other. A pair of rays is passed through a λ / 4 plate 1 d, delayed and 90 ° out of phase. The switched as analyzers polarizers 4 c are at 45 ° to the polarization directions of the radiation and rotate them into a common plane so that they interfere and the interference phenomena can be detected by the photodiodes 4 a and 4 b. The waveform of the two detectors is opposite.
Die +3. Ordnung wird auf das reflektierende Phasengitter 2c gebeugt, die -1. Ordnung dieser zweiten Beugung fällt auf das beugungsoptische Element 1c, wird nochmals ge beugt und auf die Photodiodenzeile 5 fokussiert zur re refraktometrischen Messung durch Strahlauslenkung.The +3. Order is diffracted onto the reflective phase grating 2 c, the -1. Order of this second diffraction falls on the diffraction optical element 1 c, is again bent and focused on the photodiode array 5 for re-refractometric measurement by beam deflection.
Die -3. Ordnung wird ebenso mehrmals gebeugt und auf die Differentialphotodiode 6 fokussiert. Ein nachgeschalteter Komparator vergleicht die Intensitäten der Differential photodiode, regelt den Injektionsstrom der Laserdiode 3 und damit deren Frequenz derart, daß die Wellenlänge kon stant bleibt.The 3. Order is also diffracted several times and focused on the differential photodiode 6 . A downstream comparator compares the intensities of the differential photodiode, regulates the injection current of the laser diode 3 and thus its frequency in such a way that the wavelength remains constant.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Abbildung 2 die schematische Darstellung eines interferometrischen Gitterrefraktometers für die +/-3. Beugungsordnung. Mit 1 und 2 sind die beiden paral lelen Gitterträger bezeichnet mit stabilem Luftabstand. 1a ist ein transparentes, 2a ein teilreflektierendes Pha sengitter. 1b sind beugungsoptische fokussierende Elemen te, 4c sind Polarisatoren beziehungsweise Analysatoren und 1d λ/4 Phasenplatten. Der interferometrische Aufbau ist als Abtastinterferometer für bewegte inkrementale Maß stäbe (Pat. CH 6 69 846) bekannt. In vorliegendem Beispiel ist das Gitter 2a statisch und der Beugungswinkel des Strahles ändert sich in Abhängigkeit des Brechungsindexes der Luft zwischen den beiden Gittern 1a und 2a. Dies hat die gleiche Wirkung wie die Abtastung der Gitterteilung 2a. Um die Eindeutigkeit zu wahren, darf der Regelbereich eine Gitterteilungsperiode nicht überschreiten. Das Meß- oder Regelsignal ist die Phasendifferenz zwischen den an den Photodioden 5a und 5b auftretenden Signalverläufen von sinus und cosinus. Die Regelung der Wellenlängenstabili sierung wird zweckmäßigerweise auf einen Wert Isin α=Icos β einjustiert.In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Figure 2 shows the schematic representation of an interferometric lattice refractometer for the +/- 3. Diffraction order. With 1 and 2 , the two parallel lattice girders are designated with a stable air gap. 1 a is a transparent phase grating, 2 a is a partially reflecting one. 1 b are diffractive optical focusing elements, 4 c are polarizers or analyzers and 1d λ / 4 phase plates. The interferometric structure is known as a scanning interferometer for moving incremental scales (Pat. CH 6 69 846). In the present example, the grating 2 a is static and the diffraction angle of the beam changes depending on the refractive index of the air between the two grids 1 a and 2 a. This has the same effect as the scanning of the grating 2 a. In order to maintain uniqueness, the control range must not exceed a grid division period. The measurement or control signal is the phase difference between the sine and cosine waveforms occurring at the photodiodes 5 a and 5 b. The regulation of the wavelength stabilization is expediently adjusted to a value Isin α = Icos β.
Die Laserdiode 3 strahlt über den Kollimator 1b in das Gitter 1a, die Strahlung wird gebeugt, die 1. und 3. Ord nungen sind dargestellt. Die +/-1. Ordnung werden als Längenmeßinterferometer genutzt, wobei die Verschiebungen des Tripelprismas 4 durch die Photodetektoren 4a und 4b gemessen werden. Die interferometrische Messung erfolgt in der gleichen Weise, wie sie für die Abbildung 1 be schrieben wurde.The laser diode 3 radiates through the collimator 1 b into the grating 1 a, the radiation is diffracted, the 1st and 3rd orders are shown. The +/- 1. Order are used as a length measuring interferometer, the displacements of the triple prism 4 being measured by the photodetectors 4 a and 4 b. The interferometric measurement is carried out in the same manner as that described for Figure 1 .
Die +/-3. Ordnung werden auf die teilreflektierenden Pha sengitter 2a gebeugt, teils reflektiert, teils durchsetzen sie abgebeugt das Gitter, werden umgelenkt und parallel versetzt und gegenseitig überlagert. Die beugungsoptischen Elemente 1b fokussieren die Strahlen auf die Photodetekto ren 5a und 5b. Für die Wellenlängenstabilisierung ver gleicht der Komparator 5c die Intensitäten, regelt über 3a den Injektionsstrom der Laserdiode 3 und damit deren Fre quenz derart, daß die Wellenlänge konstant bleibt.The +/- 3. Order are diffracted onto the partially reflecting phase grating 2 a, partly reflected, and partly they deflect the grating, are deflected and offset in parallel and superimposed on one another. The diffraction optical elements 1 b focus the rays onto the photodetectors 5 a and 5 b. For the wavelength stabilization, the comparator 5 c compares the intensities, regulates the injection current of the laser diode 3 via 3 a and thus its frequency such that the wavelength remains constant.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Abbildung 3 die schematische Darstellung eines interferometrischen Gitterrefraktometers mit modulierter Frequenz. Mit 1 und 2 sind die beiden parallelen Gitter träger bezeichnet mit stabilem Luftabstand, wobei 2 als 180° Umlenkprisma ausgebildet ist, 1a ist ein transparen tes, 2a ein teilreflektierendes Phasengitter. 1b sind beugungsoptisch fokussierende Elemente, 1d ist eine λ/4 Platte und 4c sind Polarisatoren. Die Laserdiode 3 strahlt über den Kollimator 1b in das Gitter 1a, die Strahlung wird gebeugt, von 4c so polarisiert, daß die Polarisa tion der +1. und -1. Ordnung zueinander orthogonal aus gerichtet sind, dann von Gitter 2a als Referenzstrahl teilreflektiert und als Meßstrahl gebeugt, parallelver setzt und in den Ordnungen vertauscht umgelenkt und mit den Referenzstrahlen überlagert. Vom 1. Gitter nochmals abgebeugt und von den beugungsoptischen Elementen auf die Photodetektoren fokussiert, drehen die als Analysatoren geschalteten Polarisatoren 4c die orthogonalen Polarisa tionsrichtungen in eine gemeinsame Ebene und lassen sie interferieren. Der Injektionsstrom der Laserdiode 3 wird von einem Wechselstromgenerator 8 überlagert, der die Frequenz der Diodenemission sinusförmig moduliert. Die Modulation der Frequenz bewirkt eine periodische Änderung der Beugung am Gitter und damit eine Abtastung des zweiten Gitters durch den Strahl, was eine Oszillation der Inter ferenzerscheinung und damit des Signales am Detektor zur Folge hat. Die Amplitude des Wechselstromes sei so abge stimmt, daß die Auslenkung des gebeugten Strahles nicht mehr als eine Teilungsperiode des zweiten Gitters ab tastet. Bei luftleerem Gitterabstand sind die Frequenz der Laserdiode (Gleichstromanteil des Injektionsstromes) und die Detektoren so justiert, daß ihre Phasenlage zum zwei ten Gitter als absoluter Nullpunkt der Messung bekannt ist und ihre Phasendifferenz 90° beträgt, was durch die Verzö gerung einer der beiden Strahlen durch das λ/4 Plättchen 1d erreicht wird. Der Gitterabstand ist so bemessen, daß durch die Änderung des Brechungsindexes der Luft, inner halb eines vorgegebenen Meßbereiches, die Auslenkung des Strahles nicht größer ist als eine Periode der Gittertei lung des zweiten Gitters. Der Brechungsindex entspricht der mittleren Phasenlage der Modulation gegenüber derje nigen des absoluten Referenzpunktes.In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Figure 3 shows the schematic representation of an interferometric grating refractometer with modulated frequency. With 1 and 2 , the two parallel lattice supports are designated with a stable air gap, 2 being designed as a 180 ° deflection prism, 1 a is a transparent tes, 2 a is a partially reflecting phase grating. 1 b are optically diffractive elements, 1 d is a λ / 4 plate and 4 c are polarizers. The laser diode 3 radiates through the collimator 1 b in the grating 1 a, the radiation is diffracted, polarized by 4 c so that the polarization of +1. and -1. Order are directed orthogonally to each other, then partially reflected by grating 2 a as a reference beam and diffracted as a measuring beam, parallelver is set and reversed in the orders and deflected and overlaid with the reference beams. Deflected again by the first grating and focused on the photodetectors by the diffraction optical elements, the polarizers 4 c connected as analyzers rotate the orthogonal polarization directions into a common plane and allow them to interfere. The injection current of the laser diode 3 is superimposed by an AC generator 8 , which modulates the frequency of the diode emission sinusoidally. The modulation of the frequency causes a periodic change in the diffraction at the grating and thus a scanning of the second grating by the beam, which has an oscillation of the interference phenomenon and thus the signal at the detector. The amplitude of the alternating current is so tuned that the deflection of the diffracted beam scans no more than one division period of the second grating. With an air-free grid spacing, the frequency of the laser diode (DC component of the injection current) and the detectors are adjusted so that their phase relationship to the second grid is known as the absolute zero point of the measurement and their phase difference is 90 °, which is due to the delay of one of the two beams the λ / 4 plate 1 d is reached. The grid spacing is dimensioned such that by changing the refractive index of the air, within a predetermined measuring range, the deflection of the beam is not greater than a period of the grating division of the second grating. The refractive index corresponds to the mean phase position of the modulation compared to that of the absolute reference point.
Im folgenden wird anhand der beiliegenden Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigt die Abbildung 4 die schematische Darstellung eines kombinierten Gitterspektrometers und -Interferometers für die hochauflösende Messung der Refraktion unter Beibehal tung des Bezuges auf den absoluten Referenzpunkt der Va kuumwellenlänge. Mit 1 und 2 sind die beiden parallelen Gitterträger bezeichnet mit stabilem Luftabstand. 1a ist ein transparentes, 2a ein teilreflektierendes Phasengit ter. 1b sind beugungsoptisch fokussierende Elemente. Mit 4 ist ein bewegliches, mit 7 ein festes Umlenkprisma bezeichnet. Die Laserdiode 3 strahlt über den Kollimator 1b in das Gitter 1a, die Strahlung wird gebeugt, vom Git ter 2a teilreflektiert und erneut gebeugt, über die Um lenkprismen 4 und 7 parallelversetzt reflektiert, überla gert sich mit der Strahlung zwischen den Gittern, wird am Gitter 1a gebeugt und durch 1b auf die Photodetektoren fo kussiert. Es sind die +/-1. und +/-3. Ordnung der Beu gung am Gitter 1a dargestellt. Die ersten Ordnungen werden als Längenmeßinterferometer genutzt, wobei die Verschie bung des Umlenkprismas 4 in Wellenlängen gemessen wird. Die polarisationsoptischen Elemente sind aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht eingezeichnet und können den Ab bildungen 2 und 3 sinngemäß entnommen werden. In the following an embodiment of the invention will be described with reference to the accompanying drawings. Figure 4 shows the schematic representation of a combined grating spectrometer and interferometer for the high-resolution measurement of the refraction while maintaining the reference to the absolute reference point of the vacuum wavelength. 1 and 2 denote the two parallel lattice girders with a stable air gap. 1 a is a transparent, 2 a a partially reflecting phase grating. 1 b are elements that focus on diffraction optics. 4 with a movable, 7 with a fixed deflection prism. The laser diode 3 radiates through the collimator 1 b into the grating 1 a, the radiation is diffracted, partially reflected by the grating 2 a and again diffracted, reflected in parallel over the deflecting prisms 4 and 7 , superimposed with the radiation between the grating, is diffracted at the grating 1 a and kissed by 1 b on the photodetectors fo. It's +/- 1. and +/- 3. Order of diffraction shown on the grid 1 a. The first orders are used as a length measuring interferometer, the displacement of the deflection prism 4 being measured in wavelengths. For reasons of clarity, the polarization-optical elements are not shown and can be taken from the figures 2 and 3.
Die 3. Ordnungen werden auf das teilreflektierende Gitter 2a gebeugt und als Referenzstrahl reflektiert, über das Umlenkprisma 7 werden Teilintensitäten parallelversetzt, so daß die +3. mit der -3. Ordnung und umgekehrt zusam menfallen und interferieren können. Die Interferenzer scheinungen werden von den Dioden 6a und 6b detektiert. Darüber hinaus wird ein Teil der Intensität der +/-3. Ordnung am Gitter 2a gebeugt, von dem die -1. der +3. und die +1. der -3. Ordnung als spektrometrische Strahlengänge betrachtet werden, die auf je ein beugungs optisches Element 1b fallen, die von diesem zum dritten mal gebeugt und auf je eine Photodetektorzeile 5a und 5b fokussiert werden. Die beiden um eine halbe Teilung ge geneinander versetzten Photodetektorzeilen messen die Auslenkung des Strahles gegenüber dem absoluten Referenz punkt und der Abstand der Elemente einer Zeile entspricht der Strahlauslenkung von einer Interferenzerscheinung zur anderen an den Photodetektoren 6a und 6b. Die Versetzung der Zeilen zueinander dient in Verbindung mit einer elek tronischen Logik zur Definition des bestrahlten und damit zählenden Zeilenelementes für den Korrekturwert des Wel lenlängenmaßstabes des Interferometers.The 3rd orders are diffracted onto the partially reflecting grating 2 a and reflected as a reference beam, partial intensities are offset in parallel via the deflection prism 7 , so that the +3. with the -3. Order and vice versa can coincide and interfere. The interference phenomena are detected by the diodes 6 a and 6 b. In addition, part of the intensity of +/- 3. Order bent at grating 2 a, of which the -1. the +3. and the +1. the -3. Order are considered as spectrometric beam paths, each falling on a diffractive optical element 1 b, which are diffracted by this for the third time and focused on one photodetector line 5 a and 5 b. The two mutually offset photodetector lines ge measure the deflection of the beam relative to the absolute reference point and the distance of the elements of a line corresponds to the beam deflection from one interference phenomenon to the other at the photodetectors 6 a and 6 b. The offset of the lines to one another is used in conjunction with an electronic logic to define the irradiated and thus counting line element for the correction value of the wavelength scale of the interferometer.
In dieser Anordnung sind ein nicht eindeutiges hochauflö sendes, phasenmessendes Doppelinterferometer und ein 3 Gitter-Doppelspektrometer vereint, zur refraktometri schen Messung und rechnerischen Korrektur der Wellenlänge.In this arrangement there is an ambiguous high resolution transmitting, phase-measuring double interferometer and one 3 grating double spectrometers combined, for refractometry measurement and arithmetical correction of the wavelength.
Eine solche Anordnung ist für Strahlungsquellen mit klei ner Halbwertsbreite der Verstärkungskurve (typisch 500 MHz für einmodige He-Ne Laser) als Wellenlängenstabilisierung geeignet. Die Verstärkerkurve läßt eine Variation der Frequenz von nur 10 E-6 zu, so daß für einen Regelbe reich von 5×10 E-5 eine Zeile mit 50 Photodioden er forderlich ist. Im Interferometer wird die Interferenzer scheinung stationär gehalten bei gleichzeitiger Regelung der Frequenz, durch Änderung der Resonatorlänge. An den Grenzen des Regelbereiches führt eine elektronische Logik die Frequenz in die entgegengesetzte Lage des Regelberei ches, während gleichzeitig die spektrometrische Auslen kung auf die benachbarte Photodiode der Zeile springt und damit den Korrekturwert berichtigt.Such an arrangement is for radiation sources with small ner half width of the gain curve (typically 500 MHz for single-mode He-Ne lasers) as wavelength stabilization suitable. The amplifier curve leaves a variation of Frequency of only 10 E-6 too, so for a control area range from 5 × 10 E-5 a row with 50 photodiodes is required. The interferometer is in the interferometer appearance kept stationary with simultaneous regulation the frequency, by changing the resonator length. To the Electronic logic controls the limits of the control range the frequency in the opposite position of the control range ches while the spectrometric Auslen jump to the neighboring photodiode of the line and thus correcting the correction value.
Die Verwendung von Gittern mit Luftabstand ermöglicht auf sehr einfache Art die Vereinigung der Strahlteiler eines Längenmeßinterferometers mit dem eines Interferenz- Refraktometers und erlaubt die spektrometrische Messung der Refraktion. Der Referenzstrahl für die Interferometer wird im Strahlteiler erzeugt und benötigt keine zusätzli chen optischen Elemente. Der Gesamtaufbau kann kompakt, stabil und raumsparend ausgelegt werden ohne Justierung der einzelnen Elemente zueinander. Gegenüber herkömmlichen Geräten werden Interferometer und Refraktometer vereint und im Gesamtaufbau damit wesentlich vereinfacht, wobei durch die spektrometrische Komponente der Bezug auf die Vakuumwellenlänge zusätzlich gewährleistet ist.The use of grilles with air gap allows on very simple way of uniting the beam splitters Length measuring interferometer with that of an interference Refractometer and allows spectrometric measurement the refraction. The reference beam for the interferometer is generated in the beam splitter and does not require any additional Chen optical elements. The overall structure can be compact, be designed to be stable and space-saving without adjustment of the individual elements to each other. Compared to conventional ones Interferometers and refractometers are combined and thus significantly simplified in the overall structure, whereby through the spectrometric component the reference to the Vacuum wavelength is also guaranteed.
Claims (8)
- - daß die refraktometrische Meßstrecke zwischen min destens zwei Gittern eines Mehrgitter-Interferometers liegt, deren Dimensionen von den Parametern, die den Brechungsindex des Mediums beeinflussen, unabhängig sind und
- - daß die durch die Änderung des Brechungsindexes des Mediums hervorgerufene Änderung der Wellenlänge spektrometrisch und/oder interferometrisch gemessen oder so geregelt wird, daß die Wellenlänge der Strahlung konstant bleibt.
- - That the refractometric measuring section lies between at least two gratings of a multigrid interferometer, the dimensions of which are independent of the parameters which influence the refractive index of the medium and
- - That the change in the wavelength caused by the change in the refractive index of the medium is measured spectrometrically and / or interferometrically or is regulated so that the wavelength of the radiation remains constant.
Priority Applications (2)
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| DE19904018664 DE4018664A1 (en) | 1990-06-11 | 1990-06-11 | Grid refractometer measuring refractive index and/or stabilising - has stable air gap for use as beam splitter for wavelengths of EM radiation in medium |
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ID=6408195
Family Applications (1)
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Country Status (2)
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| EP0670467A1 (en) * | 1994-02-26 | 1995-09-06 | Dr. Johannes Heidenhain GmbH | Interferometer |
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1990
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1991
- 1991-06-10 CH CH172091A patent/CH683130A5/en not_active IP Right Cessation
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| US5574560A (en) * | 1994-02-26 | 1996-11-12 | Dr. Johannes Heidenhain Gmbh | Dual-beam interferometer with a phase grating |
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| US6967714B2 (en) | 2000-03-27 | 2005-11-22 | Nawotec Gmbh | Method for determining a refractive index |
Also Published As
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| CH683130A5 (en) | 1994-01-14 |
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Legal Events
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Owner name: KERNER, MARTIN KARL ARTUR, O-6017 SUHL, DE |
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