CH680236A5 - - Google Patents

Description

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CH 680 236 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung.

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 Gaslaser (He-Ne) als Strahlungsquellen benutzen, sind frequenzstabilisiert, da die Laserlinie selbst sich als Frequenzreferenz ausgezeichnet eignet. Die Einflüsse des Brechungsindexes der Luft werden parametrisch gemessen, nach der Edlén'schen Formel berechnet und der Messwert wird damit korrigiert. Bei dieser Methode wird ein Normalluftgemisch vorausgesetzt, das den heutigen Gegebenheiten nicht mehr entspricht und bei Präzisionsmessungen zu Fehlern führt. Wird als Strahlungsquelle eine Laserdiode benutzt, so entfällt die interne Entladungslinie als Frequenzreferenz. Es ist deshalb notwendig, eine externe Referenz zur Stabilisierung zu verwenden. Es ist somit naheliegend, die Wellenlänge zu stabilisieren.

Es sind frequenzstabilisierte Gas-Laser, insbesondere He-Ne Laser bekannt, die sich jedoch nicht wellenlängenstabilisieren lassen, da der Bereich für die Änderung der Frequenz (typ. 800 MHz) zu klein ist.

Es sind frequenzstabilisierte Laserdioden bekannt, die bisher noch nicht in Interferometern eingesetzt wurden.

Es sind Laserdioden-Interferometer bekannt, deren Strahlungsquellen temperatur- und stromstabilisiert sind, deren Frequenz oder Wellenlänge sich jedoch aufgrund von Hysterese-Effekten der Diode ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu beschreiben, das die Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Änderungen eines wellenlängenverändernden Mediums stabilisiert.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.

Neben der klassischen Interferometrie hat sich die heterodyne Zweifrequenz-Interferometrie in der Längenmesstechnik durchgesetzt, da sie bei grösserem Signal-Rausch-Verhältnis justierunempfindlicher und daher anwenderfreundlicher ist. Das erfindungsgemässe Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge kann deshalb als klassisches als auch als heterodynes Verfahren ausgebildet werden. Da es immer ein in sich abgeschlossenes Interferometer zur Stabilisierung der kohärenten Strahlung benötigt, so ist dieses ein integrierter Bestandteil des oder der messenden Interferometer, die alle eine gemeinsame Strahlungsquelle haben. Daraus ergeben sich die Kombinationen, dass das wellenlängenstabilisierende und das messende Interferometer den klassischen Typen entsprechend oder eines klassisch und das andere heterodyn oder beide he-

terodyn aufgebaut sind. Die richtige Wahl hängt von der Anwendung, den Technologien für die optischen Strahlengänge und der elektronischen Signalverarbeitung ab. Die heterodyne interferome-trische Wellenlängenstabilisierung hat einen grundsätzlich anderen Aufbau.

Wird beim heterodynen Interferometer die erste Strahlung wellenlängenstabilisiert, so muss die zweite relativ zur ersten frequenzstabilisiert werden, damit die Differenzfrequenz (Schwebungsfre-quenz) konstant bleibt.

Der in seiner Länge konstant gehaltene Inter-ferometerarm oder die Längendifferenz von zwei Armen konstanter Längen bilden die Wellenlängenreferenz des Verfahrens. Dazu ist es notwendig, die Interferometerarme aus geeignetem Material herzustellen, welches bestmöglich unabhängig ist von den Parametern, die die Änderungen der Wellenlänge im Medium hervorrufen.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemässen Verfahrens beschrieben werden: Bei der Verwendung einer Laserdiode als Strahlungsquelle soll zweckmässigerweise ein Interferometer in Glasfasertechnik oder integrierter Optik vorausgesetzt werden. Die Strahlung einer Laserdiode kann dabei direkt oder über eine Glasfaser in die integrierte optische Schaltung eingekoppelt werden. Beim Austritt der Strahlung tritt starke Dispersion infolge des kleinen Leiterquerschnittes auf, sodass ein Objektiv zur Bündelung notwendig wird, wenn die Strahlung über eine längere Messstrecke geleitet wird. Die Messstrecke der Wellenlängenreferenz muss jedoch kurz' sein, damit sie eindeutig bleibt innerhalb des Regelbereiches (ca. 5 • 10-5), kürzer als 10* x, etwa 8 mm. Unter diesen Voraussetzungen ist eine einfache und zweckmässige Anordnung der Wellenlängenreferenz gegeben. Ein sphärischer Hohlspiegel wird halbkugelförmig in ein Glaskeramikmaterial mit sehr geringem Dilatationskoeffizient a

( : ca. 10~8 pr ) eingeschliffen,

so dass die aus der integrierten Schaltung disper-siv austretende Strahlung in sich selbst oder bei dezentrierter Anordnung leicht versetzt (ca. 0,05 mm) reflektiert und in einen zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird. Im Fall eines grösseren Wellenleiterabstandes kann ein Ellipsoidspiegel benutzt werden, wenn die Wellenleiter in seinen beiden Brennpunkten liegen, so ist die Wegstrecke über die Spiegelung an allen Punkten konstant. Das von der Wellenlängenreferenz reflektierte Licht wird in einen Wellenleiter eingekoppelt und mit dem Referenzstrahl gemischt, so dass es interferieren kann. Dieser Wellenleiter wird wiederum geteilt und so geleitet, dass zwischen den beiden Leitern eine geringe Phasendifferenz entsteht, dadurch kann die Intensität des Interferenzstreifens an zwei benachbarten Orten detektiert werden. Die beiden detektier-ten Intensitäten werden in den Komparator einge-spiesen, der ein von der Intensitätsdifferenz abhängiges Signal zur Regelung des Injektionsstromes abgibt, bis die Intensitäten am Ausgang des In-

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terferometers gleich sind. Damit ist der Interferenzstreifenabstand und die Anzahl aller Interferenzen im optischen Weg der Wellenlängenreferenz durch Änderung der Frequenz an der Quelle festgelegt. Der durch den Spiegel gebildete halbkugelförmige Hohlraum ist geöffnet, sodass die Luft ungehindert eintreten kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 a den schematischen Aufbau eines wegmessenden, wellenlängenstabilisierten Interferometers

Fig. 1 b das Schema der Wellenleiter des Doppel-Interferometers

Fig. 2a ein Ausführungsbeispiel in Glasfaser-Technologie mit externem Fabry-Pérot-Interferome-ter

Fig. 2b ein weiteres Ausführungsbeispiel als Doppel-Interferometer

Fig. 2c ein Doppel-Interferometer mit zwei Strahlungsquellen als heterodyne Variante

Fig. 3 ein heterodynes Interferometer in integrierter Optik.

Es zeigt die Fig. 1a die schematische Anordnung eines wegmessenden, wellenlängenstabilisierten Interferometers aufgebaut in integrierter Optik. Die Platte (11) trägt den integrierten optischen Strahlengang von zwei Interferometern mit der gleichen Strahlungsquelle einer Laserdiode (1) und den Aus-und Einkoppelobjektiven (2), einen Planspiegel (12) und die Wellenlängenreferenz (5). Das Tripelprisma (4) stellt das bewegliche Messglied für die Längenmessung dar, die aus dem Messstrahi (a) und dem Referenzstrahl (b) besteht. Der Referenzstrahl (b) wird am Spiegel (12) nochmals aufgeteilt in den Messstrahl (c) und den Referenzstrahl (d) eines zweiten Interferometers zur Stabilisierung der Wellenlänge. Am Rande der integrierten Lichtleiterschaltung tritt der Messstrahl (c) aus, durchläuft die Luftstrecke der Wellenlängenreferenz und wird vom halbkugelförmigen Spiegel reflektiert und in den gegenüber dem ersten Teil des Wellenleiters (c) etwas versetzten zweiten Teil eingekoppelt. Mess-(c) und Referenzstrahl (d) werden gemischt und danach noch einmal in (e, f) geteilt, um zwei phasenversetzte Ausgänge zu erzielen. Die Phasenversetzung in Wellenleitern kann auf unterschiedliche Art erfolgen:

- durch ungleiche Weglängen in (e) und (f)

- durch einen zweidimensionalen Wellenleiter genau berechneter Abmessungen zum Auskoppeln definierter Phasenzustände

- durch Übertragung in einen parallel laufenden Wellenleiter, wenn z. B. (f) zu (e) parallel geführt wird.

Die beiden Photodioden (6,7) sind mit den Eingängen des Komparators (20) verbunden, der die Signale vergleicht und eine Regelsgannung am Ausgang generiert, die abhängig ist von der Intensitätsdifferenz der phasenversetzten Signale. Die Ausgangsspannung des Komparators regelt den Injektionsstrom der Laserdiode über die geregelte Stromstabilisierung (21), wodurch sich die Frequenz

ändert, diese wiederum bewirkt eine Änderung der Wellenlänge und damit eine Verschiebung der Interferenzstreifen an den Detektoren so lange, bis dieser symmetrisch erfasst wird und die Intensitäten gleich sind.

Die Fig. 1 b zeigt das Schema der Wellenleiter des Doppel-Interferometers.

Anhand der beiliegenden Fig. 2a-c werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemässen Einrichtung in Glasfasertechnologie beschrieben. Es zeigt die Fig. 2a die schematische Anordnung eines wellenlängenstabilisierten Interferometers in Glasfasertechnologie. Der Diodenlaser (1) strahlt in die Fasern (a), (b) und (c) ein. Die Objektive (2) kuppeln die Strahlung in die Messstrecke aus und ein, wobei das Tripelprisma (3) den Messweg abfährt. Die Faser (b) führt den Referenzstrahl und wird mit der Faser (a) so verbunden, dass der Lichtfiuss in die jeweilige Nachbarfaser eintreten und interferieren kann. Die Interferenz wird von der Fotodiode (4) detektiert. Die Faser (c) leitet die Strahlung in ein Fabry-Pérot-Interferometer (5) mit Luftabstand als Wellenlängenreferenz ein. Eine Doppelfotodiode (6, 7) detektiert den Interferenzring und hält dessen Durchmesser konstant.

Es zeigt die Fig. 2b die schematische Anordnung eines Doppel-Interferometers in Glasfasertechnologie. Der Diodenlaser (1) strahlt in die Fasern (a), (b), (c), (d) ein, die Fasern (a) und (b) haben die gleiche Funktion wie in Fig. 2a. Die Faser (c) strahlt in den halbkugelförmigen Reflektor der Wellenlängenreferenz (5) und reflektiert die Strahlung wieder heraus, wo sie mit der Faser (d) des Referenzstrahles gemischt wird und interferiert, wiederum aufgeteilt in (e) und (f) und phasenversetzt den Fotodioden (6 und 7) zugeleitet wird.

Es zeigt die Fig. 2c die schematische Anordnung eines heterodynen Interferometers in Kombination mit einem klassischen für die Wellenlängenstabiiisa-tion der Laserdiode (1). Die Komponenten (1 bis 7) entsprechen der Beschreibung zur Fig. 2b. Zusätzlich strahlt die Laserdiode (8) eine zweite Frequenz, die zur Laserdiode (1 ) auf eine konstante Frequenzdifferenz (Schwebungsfrequenz) stabilisiert ist, in die Fasern (g und h) ein. Faser (h) wird mit (b) gemischt und vom Fotodetektor (9) für die heterodyne Referenzfrequenz empfangen, Faser (g) wird mit (a) gemischt und vom Fotodetektor (4) für die heterodyne Messfrequenz empfangen,

Es zeigt die Fig. 3 die schematische Anordnung eines heterodynen Doppel-Interferometers in integrierter Optik, für die Längenmessung mit wellenlängenstabilisierter gemeinsamer Strahlungsquelle (1) und der auf die Differenzfrequenz stabilisierten gemeinsamen Strahlungsquelle (8). Die Laserdiode (1) strahlt in die Wellenleiter (a, b, c), die Laserdiode (8) in (d, g, h) ein. Das Längenmessinterferometer wird aus den Leiterbahnen (a, b, g, h) gebildet. Die Referenzdiode (9) empfängt die Differenzfrequenz über (b und h), die Messdiode (4) über (a und g) von (1 und 8). Der Reflektor (3) ist das bewegliche Län-genmessmittel, zu dem die Strahlung über die Objektive (2) aus- und eingekoppelt wird. Die Frequenzen der Dioden (4 und 9) werden in je einen Mess- und Referenzzähler eingezählt, mit einem Komparator

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ständig verglichen und die Differenz ist das Messresultat in halben Wellenlängen. Diese Schaltung wird in der Zeichnung nicht gezeigt.

Durch Strahlteilung wird ein zweiter Messarm (c) aufgebaut, in welchem die konstante Luftstrecke der Wellenlängenreferenz (5) integriert ist. Die Strahlung in (c) aus (1) bildet mit (d) aus (8) eine Schwebungsfrequenz, die von der Fotodiode (10) detektiert wird.

Die Differenzfrequenz zwischen den Laserdioden (1 und 8) wird zweckmässigerweise gewählt und durch eine externe Frequenzreferenz (23), die ein Quarzoszillator sein kann, verwirklicht. Die Frequenzen von (9 und 23) werden im Frequenzkompa-rator (27) verglichen und über die geregelte Stromstabilisierung (28) der Diodenspeisung geregelt. Damit folgt die Frequenz der Laserdiode (8) derjenigen von (1) mit konstanter Differenz, die durch (23) gegeben ist.

Die von der Fotodiode (10) detektierte Frequenz ist gleich gross wie die von (9), aber gegenüber dieser phasenverschoben, da die Strahlung den Luftweg der Wellenlängenreferenz durchläuft. Diese ist so dimensioniert, dass eine Phasenverschiebung < +/- 180° innerhalb des Messbereiches auftreten kann. Zur Stabilisierung der Wellenlänge muss die Laserdiode (1) in ihrer Frequenz geregelt werden. Das Signal aus (10) wird im Phasenkompara-tor (25) mit dem der Frequenzreferenz (23) verglichen und auf Null geregelt durch Einwirkung des Regelsignales aus (25) in die geregelte Stromstabilisierung (21) der Speisung der Laserdiode (1), die ihre Frequenz in Abhängigkeit des Injektionsstromes ändert und somit die Wellenlänge konstant hält.

Zwischen der Frequenzreferenz (23) und dem Phasenkomparator (25) ist ein Phasenschieber (24) zwischengeschaltet, mit dem gegebenenfalls eine konstante Phasendifferenz als Grundjustierung eingestellt werden kann, falls dies erforderlich ist.

Durch die Stabilisierung der Wellenlänge in freier Atmosphäre ist ein Verfahren geschaffen, welches gegenüber der bekannten Frequenzstabilisierung und der parametrischen Messung des Brechungsindexes der Luft und dessen nachträgliche Korrektur wesentlich einfacher im Aufbau und in der Anwendung für die interferometrische Längenmesstechnik ist.

Claims (5)

Patentansprüche

1. Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Arm eines interferometrischen Strahlenganges im wellenlängenverändernden Medium verläuft und dass diese konstante Längen aufweisen und am Ausgang des interferometers mindestens zwei zueinander phasenversetzte Signale der Interferenzerscheinung erzeugt werden, die auf eine Regelung zur Konstanthaltung der Wellenlänge der Strahlung wirken, weiche diejenigen Parameter der Strahlungsquelle beeinflussen, die die Frequenz der Strahlung verändert.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Verwendung von mindestens zwei kohärenten Strahlungen unterschiedlicher Frequenzen die eine wellenlängenstabilisiert und die anderen gegenüber Frequenznormalen auf konstante Differenzfrequenzen zur wellenlängenstabilisierten Frequenz geregelt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Konstanthaltung der Wellenlänge der Strahlung die Interferometerarme im wellenlängenverändernden Medium aus einem Material hergestellt werden, welches bestmöglich unabhängig ist von den Parametern, die die Änderungen der Wellenlänge im Medium hervorrufen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge oder Längendifferenz der konstanten Interferometerarme so bemessen ist, dass die Eindeutigkeit der Messung im Regelbereich gewährleistet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wellenlängenstabilisierende und das messende Interferometer eine gemeinsame kohärente Strahlungsquelle aufweisen.

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