CH683561A5 - Gitterinterferometer mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Beugungsgittern. - Google Patents

Description

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CH 683 561 A5

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Gitterinterferometer mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Beugungsgittern.

Interferometer sind Instrumente, die die kohärente Strahlung einer Quelle in zwei getrennte Wege teilen, den Referenz- und den Messweg, sie wieder vereinigen und interferieren lassen. Die Phasenverschiebung der Strahlung durch die Messgrösse gegenüber der unbeeinflussten Referenzphase bewirkt eine Änderung der Interferenzerscheinung als Messsignal.

Man unterscheidet zwei Haupttypen, das Michel-son'sche Interferometer mit rechtwinklig geteiltem Strahlengang, der in sich oder parallel versetzt zurückreflektiert wird und das Mach-Zehnder-Interfero-meter mit parallel verlaufendem Strahlengang.

Solche Instrumente werden mit brechenden oder reflektierenden optischen Elementen aufgebaut, anstelle dieser können aber auch beugende treten. Durch neue Technologien wurde ihr Nachteil der teuren Herstellung behoben, derjenige der hohen Strahlungsverluste durch Beugung in mehrere Ordnungen ist geblieben.

Gitterinterferometer können aus mehreren hintereinander geschalteten Gittern aufgebaut werden, wobei diese auch durch brechende und reflektierende optische Elemente ersetzt werden können. Die Anzahl der benötigten Gitter verringert sich, wenn der Strahlengang reflektiert und die Gitter mehrfach benutzt werden.

Gitterteilungen können als Amplituden- oder Phasengitter hergestellt werden, wobei letztere wesentlich geringere Intensitätsverluste aufweisen. Ebene, nicht profilierte Gitterteilungen beugen die einfallende Strahlung paarweise und symmetrisch in positive und negative Beugungsordnungen.

Das Gitter als optisches Element ist:

- Grundbaustein von Spektrometern

- Massverkörperung von inkrementalen Massstäben

- Strahlenteiler in Interferometern.

Durch geeignete Kombination lassen sich

- Massstab-Interferenz-Wandler,

- interferenz-Spektrometer,

- Interferenz-Refraktometer

- Mehrfach-Interferometer,

- Interferometer und Spektrometer, als Instrumente bauen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Gitterinterferometer mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Beugungsgittern zu beschreiben.

Das erfindungsgemässe Gitterinterferometer ist durch den Patentanspruch 1 gekennzeichnet.

Das Gitterinterferometer ist in seiner einfachsten Form als planparallele Glasplatte ausgebildet, auf deren Planseiten je ein Strichgitter aufgetragen ist. Die Dicke der Planplatte ist so berechnet, dass aufgrund der Apertur des Strahles und der Gitterkonstanten des 1. Gitters die gebeugten Strahlen ohne Überlappung getrennt auf das 2. Gitter auftreffen. Aufgrund der Intensitätsverteilung auf die 1. (80%) und 3. (7%) Ordnung ist das 1. Gitter mit Vorteil als transparentes Phasengitter auszubilden. Das 2. Gitter soll einen Teil der Intensität ungebeugt als Referenzwelle reflektieren, dazu ist eine teildurchlässige Schicht zwischen Glasplatte und Gitter notwendig. Das 2. Gitter muss wegen der Energieverteilung und der Übereinstimmung der Beugungswinkel zwischen Referenz- und Messwelle mit dem 1. Gitter übereinstimmen. Beim Gitterinterferometer mit Luftabstand muss das zweite Gitter als transparentes Phasengitter so ausgeführt werden, dass die Gitterstriche und -lücken aus transparenten Materialien mit unterschiedlichem Brechungsindex bestehen und ihre Höhe so gewählt ist, dass ein Phasenunterschied von A/2 auftritt. Die äussere ebene Planfläche des Gitters kann dann beschichtet werden.

Die Beschichtung entfällt dann, wenn Amplitudengitter gewählt werden und höhere Intensitätsverluste in Kauf genommen werden können.

Die Erfindung wird anhand der sechs Abbildungen erläutert:

Die Abbildung 1 zeigt den einfachsten Aufbau eines Doppelinterferometers mit einer planparallelen Glasplatte als Träger der beiden Beugungsgitter und einer teilreflektierenden Schicht.

Die Abbildung 2 zeigt den gleichen Aufbau wie Abbildung 1, jedoch mit zwei getrennten Planspiegeln als Messreflektoren, zur gleichzeitigen Messung von zwei Weglängen. Dabei sind die Photodetektoren vervielfacht, um das Signal in mehreren Beugungsordnungen zu empfangen.

Die Abbildung 3 zeigt den gleichen Aufbau wie Abbildung 1, jedoch mit polarisationsoptischem Strahlengang.

Die Abbildung 4 zeigt ein zweifaches polarisationsoptisches Doppelinterferometer unter Ausnutzung der ersten und der dritten Beugungsordnung.

Die Abbildung 5 zeigt den gleichen Aufbau wie Abbildung 1, jedoch mit zwei getrennten Strahlungsquellen, die einen gemeinsamen Referenzphotodetektor haben.

Die Abbildung 6 zeigt eine Kombination des Aufbaues aus den Abbildungen 1 und 5 mit zwei getrennten Strahlungsquellen und Messspiegeln.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 1 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als Doppelinterferometer näher beschrieben. Die planparallele Glasplatte 1 trägt das Strichgitter 1a und auf der gegenüberliegenden Fläche eine teilreflektierende Schicht 1b und darauf das Strichgitter 1c. Die Strichgitter 1a und 1c sollen Phasengitter mit gleicher Gitterkonstanten sein, ihre +/- 3. Beugungsordnungen treten seitlich aus und nur die +/- ersten werden für die interferometrische Messung verwendet. Die kohärente Strahlung der Quelle 2 wird durch die Linse 5b kollimiert, vom Gitter 1a in die +/- 1. Ordnung gebeugt, von der Schicht 1b in die Referenzstrecke teilreflektiert, teils durchgelassen und vom Gitter 1c in die Messstrecke gebeugt. Das bewegliche Messprisma 4 reflektiert die Strahlung und versetzt sie parallel so, dass die positive Ordnung an den Austrittspunkt der negativen zurückgeworfen wird und umgekehrt, dadurch werden zwei interferometrische gegenläufige Strahlengänge mit einem gemeinsamen Messreflektor aufgebaut. Nach erneuter Beugung am Gitter 1c interferieren die reflektierten Strahlen der Messstrecke mit denen der

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in der Glasplatte verlaufenden Referenzstrecke und werden durch die Linsen 5a und 5c auf die Photodetektoren 3a und 3b fokussiert. Die bekannten Arten der phasenversetzten Detektion der Interferenzstreifen werden in Verbindung mit dem Gitterstrahlteiler anhand der folgenden Abbildungen näher beschrieben.

Die teilreflektierende Schicht 1 b kann dadurch ersetzt werden, dass das Gitter 1c als Amplitudengitter ausgeführt wird. Da das symmetrische Phasengitter die Intensitäten auf die 1. und 3. Ordnung, das Amplitudengitter auf die 0. und 2. Ordnung bevorzugt verteilt und die Strahlteilergeometrie erhalten bleiben muss, so ist das Amplitudengitter gegenüber dem Phasengitter mit doppelt so grossen Strichabständen (Gitterkonstante) auszuführen.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 2 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als zweifaches Interferometer näher beschrieben. Der Gitterstrahl-teiier 1 ist prinzipiell so aufgebaut wie in Abbildung 1, mit Ausnahme des Gitters 1a. Das Gitter 1a sei kein einfaches Strichgitter, sondern ein zwei- oder dreidimensionales, dessen Strukturen beugen und fokussieren und damit die Linsen ersetzen. Die Strahlung der Quelle 2 wird von 1a kollimiert und in die +/- 1. Ordnungen gebeugt, an 1b teilreflektiert. Die beiden in die Messstrecken austretenden Strahlen werden von Planspiegeln als unabhängige Messreflektoren in sich reflektiert, interferieren mit den Referenzstrahlen und werden vom Gitter 1a in die +/- 1. und +/- 3. Ordnungen gebeugt und auf die Photodetektoren 3a und 3b fokussiert. Jede Gruppe von vier Detektoren ist einem interferometrischen Strahlengang zugeordnet und soll in bekannter Weise um 90° phasenversetzt sein, so dass sie eine Vor-Rückwärtserkennung und eine Phaseninterpolation ermöglichen. Diese Anordnung ermöglicht ein zweifaches Interferometer, das als Differential- oder mit einem abgewinkelten Messarm als Zweikoordi-naten-lnterferometer eingesetzt werden kann.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 3 ein polarisationsoptisches Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Der Gitterstrahlteiler 1 ist prinzipiell so aufgebaut wie in Abbildung 1, mit Ausnahme, dass zwischen den Strichgittern 1a und 1b zusätzlich Polarisatoren 6 angeordnet sind.

Die Strahlung der Quelle 2 wird von der Linse 5 kollimiert und vom Strichgitter 1a in die +/- 1. Ordnung gebeugt. Die + 1. Ordnung durchsetzt den Polarisator 6a und die - 1. Ordnung den Polarisator 6b, beide Polarisatoren stehen mit ihren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander und unter 45° zum Strichgitter 1a.

Werden die beiden Polarisatoren in der Mitte im Querschnitt schräg überlappend aneinandergesetzt, so löschen sie im Überlappungsbereich Störintensitäten der 0. Ordnung aus. Die beiden interferometrischen Strahlengänge werden durch das Tripelpris-ma zu einem gegenläufigen Doppelinterferometer gemischt und durchlaufen die als Analysatoren angeordneten Polarisatoren 6c und 6d, die zueinander parallel und unter 45° zu den Polarisatoren 6a und 6b stehen. Nach den Analysatoren können die beiden Strahlen interferieren und werden auf die Photodetektoren 3a und 3b projiziert. Vor dem Analysator 6d durchsetzt einer der Strahlengänge eine ~/J4 Platte 7 und wird dadurch gegenüber dem anderen um 90° phasenversetzt, womit erreicht wird, dass eine Vor-Rückwärtserkennung und Phaseninterpolation in bekannter Weise möglich ist.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 4 ein polarisationsoptisches Ausführungsbeispiel der Erfindung als zweifaches Doppelinterferometer beschrieben.

Der Gitterstrahlteiler 1 ist prinzipiell so aufgebaut wie in Abbildung 1, mit der Ausnahme, dass die Gitter 1a und 1c an zwei Trägern mit Luftabstand angebracht sind, der als Referenzstrecke zur Messung des Brechungsindexes der Luft benutzt werden kann, um die dadurch bedingte Änderung der Wellenlänge zu korrigieren.

Das Strichgitter 1a und die beugungsoptischen Strukturen 1d zur Fokussierung der Strahlen sind in zwei getrennten Schichten aufgetragen. Bei diesem Beispiel werden die +/- 1. und die +/- 3. Beugungsordnung interferometrisch genutzt. Die positiven und die negativen Beugungsordnungen durchsetzen paarweise je einen Polarisator 6a und 6b, die senkrecht zueinander und unter 45° zu den Gittern stehen. Das Gitter 1c beugt die Strahlen in die Messstrecken, wo sie durch die Messreflektoren 4a und 4b parallel versetzt und zurückreflektiert werden, die beugungsoptischen Elemente 5a, 5e und 5b, 5d fokussieren die Strahlen in die Photodetektoren 3a, 3d und 3b, 3c, nachdem je ein Strahl eines Doppelinterferometers eine U4 Verzögerungsplatte 7a und 7b durchlaufen hat. Die Analysatoren 6c, 6f und 6d, 6e ermöglichen die Interferenz der orthogonal polarisierten Strahlung.

Das Doppelinterferometer der +/- 3. Beugungsordnung kann auch als Interferenz-Refraktometer verwendet werden zur Stabilisierung der Strahlungswellenlänge der Quelle 2. Der Strahlengang der 3. Beugungsordnung kann auch dazu genutzt werden, ein Gitterspektrometer aufzubauen zur Messung des Brechungsindexes der Luft.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 5 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als heterodynes Interferometer näher beschrieben.

Der Gitterstrahlteiler 1 ist prinzipiell so aufgebaut wie in Abbildung 3, mit Ausnahme des Gitters 1c, das in zwei Abschnitte unterteilt ist, zwischen denen sich eine Spiegelschicht 1 e befindet.

Die Strahlungen der Quellen 2a und 2b weisen unterschiedliche Frequenzen auf, wobei die Strahlung einer Frequenz gegenüber einer Referenz stabilisiert ist und die Strahlung der zweiten Frequenz eine stabile Differenzfrequenz oder eine variable Frequenz gegenüber der ersten aufweist. Für ein wegmessendes Interferometer ist eine stabile, für ein entfernungsmessendes eine variable Frequenz vorteilhaft. Die Differenzfrequenz der beiden Strahlungen soll so gross sein, dass die durch Interferenz erzeugte Schwebungsfrequenz von Detektoren empfangen und von elektronischen Bauelementen verarbeitet werden kann. Die Strahlungen der Quellen 2a und 2b werden von den Linsen 5b und 5d kollimiert und vom Gitter 1a in ihre 1. Ordnungen gebeugt. Die - 1. Ordnung von 2a und die + 1. Ordnung von 2b werden am Spiegel 1e reflektiert, von 1a ge5

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beugt, interferieren zu einer Schwebungsfrequenz, die vom Referenzdetektor 3b empfangen und von der nachfolgenden Elektronik gezählt wird. Die beiden anderen Ordnungen werden durch die Gitter 1c in die Messstrecke gebeugt und vom Messprisma 4 parallelversetzt und reflektiert. Beide Frequenzen durchlaufen gegenläufig die Messstrecke und interferieren jeweils mit der anderen Frequenz, wobei durch die Verschiebung von 4, die Schwebungsfre-quenzen an 3a und 3c unterschiedlich beeinflusst werden. Ihre Zähler 8a und 8c werden mit dem Referenzzähler 8b über die Komparatoren 9a und 9b verglichen, die Differenzen mathematisch verarbeitet und als Messergebnis in 10 angezeigt. Durch diese Anordnung der gegenläufigen Messung kann das Auflösungsvermögen der Phasenmessung zum Zwecke der Interpolation zwischen den Interferenzerscheinungen verdoppelt werden.

Im folgenden wird anhand der Abbildung 6 ein Ausführungsbeispiel der Erfindung als heterodynes Differential-lnterferometer beschrieben.

Der Gitterstrahlteiler ist prinzipiell so aufgebaut wie in Abbildung 5, mit Ausnahme einer genauen Längenabmessung und einer Verspiegelung 1f an den Seitenflächen. Um die jeweilige zweite Frequenz an den Messdetektor zu führen, wird dafür die 3. Beugungsordnung verwendet. Die + 3. Ordnung der Quelle 2b wird zum Detektor 3a und die

- 3. Ordnung der Quelle 2a wird zum Detektor 3c geführt, wo sie mit den jeweiligen Messfrequenzen interferieren.

Es sind weitere Ausführungsbeispiele denkbar, mit denen durch die Ausnutzung des Beugungseffektes und mehrerer Ordnungen mit einem Strahlteiler eine Vielzahl von Interferometern aufgebaut werden kann. Dies ist dann möglich, wenn anstelle der eindimensionalen Strichgitter mehrdimensionale beugende Strukturen verwendet werden und Photodiodenarrays als Detektoren. Damit könnten Plan- und Formflächen punktweise mit hoher Genauigkeit kontrolliert und vermessen werden.

Die Vorteile des erfindungsgemässen Aufbaues von Interferometern mit Gittern gegenüber solchen mit Planplatten und Prismen bestehen darin:

- dass der Referenzstrahlengang innerhalb der beiden Beugungsgitter verläuft und

- dass zusätzliche optische Elemente für einen Referenzreflektor entfallen,

- dass das Interferometer als Doppelinterferometer mit doppelter Auflösung aufgebaut werden kann,

- dass das Interferometer als zweifaches, als Differential oder für zwei Achsen aufgebaut werden kann,

- dass die Gitter mit Luftabstand geteilt und die Luftstrecke als Refraktometer zur Messung und Korrektion des Einflusses des Brechungsindexes der Luft auf die Messwellenlänge oder zu deren Stabilisierung verwendet werden kann,

- dass die Beugungsgitter gleichzeitig als Interferometer und Spektrometer verwendet werden können,

- dass durch die Verwendung von zwei Frequenzen in der heterodynen Version die Trennung und Mischung unpolarisiert erfolgt und dass durch die Unabhängigkeit der Frequenzen untereinander entfer-nungsmessende Interferometer verwirklicht werden können,

- dass durch die Einfachheit des Aufbaues optische Elemente gespart werden können und dass dadurch der instrumentelle Aufbau kompakt wird.

Claims (7)

5 Patentansprüche

1. Gitterinterferometer mit mindestens zwei hintereinander geschalteten Beugungsgittern, dadurch gekennzeichnet,

10 dass die einfallende Strahlung vor dem zweiten Gitter von diesem ungebeugt als Referenzwelle teilweise reflektiert wird und dass der vom zweiten Gitter gebeugte Teil als Messwelle von einem Messreflektor in sich reflek-15 tiert, vom zweiten Gitter erneut gebeugt mit der Referenzwelle überlagert wird und interferiert und/oder dass die Messwelle von einem Messreflektor parallel versetzt reflektiert, vom zweiten Gitter erneut gebeugt, mit der Referenzwelle der gleichen oder ei-20 ner anderen Ordnung gleichen oder ungleichen Vorzeichens überlagert wird und interferiert oder dass die Strahlungen von mindestens zwei getrennten Strahlungsquellen als Referenz-Referenz- und Referenz-Mess-Wellen sich überlagern und zu 25 Schwebungswellen interferieren.

2. Gitterinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass die Beugungsgitter als Strich-, zwei- oder dreidimensionale, Amplituden- oder Phasengitter, glei-30 eher, ungleicher oder variabler Gitterkonstanten ausgebildet sind.

3. Gitterinterferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die Gitter beidseitig eines planparallelen Trä-35 gers angebracht sind.

4. Gitterinterferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass zwischen den Gittern ein stabiler Luftabstand besteht und dieser unbeeinflusst bleibt von den Pa-40 rametern, die den Brechungsindex der Luft verändern.

5. Gitterinterferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die Strahlungen einer positiven und einer ne-45 gativen Ordnung einer Beugung gegenläufig über den gleichen Strahlengang geführt und durch ein erstes Paar von Polarisatoren zueinander orthogonal, linear polarisiert, nach der Überlagerung von Mess- und Referenzwelle, eine von beiden in ihrer 50 Phasenlage gegenüber der anderen um 90° verzögert und durch ein zweites Paar von Polarisatoren ihre Polarisationsachsen zueinander so gedreht werden, dass sie interferieren.

6. Gitterinterferometer nach Anspruch 5, dadurch 55 gekennzeichnet,

dass das erste Paar von Polarisatoren der beiden Beugungsordnungen nach dem ersten Beugungsgitter, die senkrecht zueinander ausgerichtet sind, sich an der Stossstelle soweit überlagern, dass sie Stör-60 einflüsse der nullten Ordnung eliminieren.

7. Gitterinterferometer nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

dass die Gitter zusätzlich als Spektrometer oder als Interferenz-Spektrometer genutzt werden.

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