DD140791A1 - Verfahren zur messung der wellenlaenge eines laserstrahles - Google Patents

Abstract

Patentanspruch 1: Verfahren zur Messung der Wellenlänge eines frequenzstabilisierten Lasers unter Berücksichtigung der Umwelteinflüsse Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, bei dem einer der beiden zur Interferenz gebrachten Strahlen mindestens teilweise in einem evakuierbaren Raum bekannter Länge verläuft, dadurch gekennzeichnet, dass der evakuierbare Raum nacheinander belüftet und evakuiert bzw. evakuiert und bis zum Erreichen atmosphärischen Bedingungen gegenüber dem Vakuum veränderte Wellenlänge durch Zählung der Interferenzen gemessen wird.

Description

Verfahren zur.Messung der Wellenlänge eines Laserstrahles

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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wellenlänge eines frequenzstabilisierten Laserstrahls in einem gasförmigen Medium unter Berücksichtigung der Umwelteinflüsse Druck, Temperatur und Zusammensetzung des Gases, d. h* zur indirekten Bestimmung des Brechwertes des gasförmigen optischen Mediums. Dieses Verfahren findet z. B» in Präzisionsmeß- und be'arbeitungsgeräten Anwendung, in denen die Wellenlänge eines Laserstrahles als Längennormal verwendet wird«

Charakteristik der, bekannten,, technischen L'osungent

Die Wellenlänge eines Laserstrahls hängt bei einem frequenzstabilisierten Laser vom Brechwert des optischen Mediums ab, das der Strahl durchläuft. Bei Präzisionsmeß·» und -bearbeitungsgeräten mit Laser-Wegmeßsystemen ist es notwendigj die Umwelteinflüsse - insbesondere Druck-und Temperatur - vom Meßnormal abzuschirmen bzw. diese zum Zweck der Korrektur der Meßergebnisse zu erfassen» Definierte Verhältnisse sind im Vacuum gegeben. Beim Universal-Einfach-Repeater UER'des VEB Carl Zeiss JENA werden die Meßstrahlen in evakuierten Rohren geführt (Jenaer Rundschau 1977» H. 4> S* 168). Da sich die Länge des evakuierten Rohres mit dem Meßweg ständig ändern muß? ergeben sich-konstruktive Probleme bei der Abdichtung des evakuierten Rohres und zur Aufbringung der notwendigen Kräfte, zur· Verschiebung des mit dem Präzisionskoordinatentiech verbundenen teleskopartiger!, 'evakuierten Rohres.'

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Ein verbreitetes Verfahren.ist-die. rechnergesteuerte Korrektur der Meßwerte des Laser-Wegmeßsystems.nach den bei Beginn des Meß- oder Bearbeitungsvorganges konventionell ermittelten Anfangsdaten Druck und Temperatur (Feingerätetechnik 1976, H. 6, S. 256). Bei längeren Bearbeitungszeiten sind es insbesondere Druckschwankungen durch Klimaanlagen oder metereologische Vorgänge, die eine kontinuierliche Korrektur entsprechend den momentanen Daten verlangen* Der Aufwand- für die kontinuierliche digitale Messung der einzelnen Umweltfaktoren (Druck, Temperatur, Feuchte, COp-Gehalt) und ihre rechentechnische Verarbeitung zur Meßwertkorrektur ist recht hoch. Es lag daher nahe, den Brechwert der Luft direkt interferometrisch zu messen. Die BRD-Auslegeschrift 1 235 601 beschreibt ein zusätzlich zur eigentlichen interferometrischen Meßeinrichtung vorhandenes Normalinterferometer zur Überwachung'des Brechwertes des Luft. Bei einer Abweichung vom definierten Anfangswert wird der Druck innerhalb des gesamten hermetisch abgedichteten Gerätes automatisch korrigiert. Die Anfangswerte für Druck, Temperatur usw. werden gemessen und durch. Veränderung des Anfangsdruckes der gewünschte Brechwert eingestellt. Neben diesem Nachteil ist der druckdichte Mantel mit einem hohen Aufwand und mit Nachteilen im industriellen Einsatz soJbher Geräte (Beschickung), verbunden.

(siehe auch Feingerätetechnik, 1974» H. 6, S. 274) In der BRD-Auslegeschrift 1 623 300 ist eine Kompensationseinrichtung mit einem rein optischen Wirkprinzip verbunden. Durch ein in den Laser-Strahlengang eingeschaltetes Beugungsgitter erfährt der Meßstrahl eine vom .Brechwert der Luft abhängige Ablenkung. Bei Einhaltung bestimmter geo- metrischer Verhältnisse des gesamten Interferometersystems ergibt sich eine Kompensation des Meßfehlers.

Im DDR-Wirtschaftspatent 186 777 und in der Zeitschrift Feingerätetechnik, 1976$ H* 7> S. 307 wird ebenfalls die

interferornetrische Überwachung von Veränderungen des • Brechwertes über eine konstante Normalstrecke beschrieben»

Neben dem bereits genannten Verfahren der-Eingabe der An- fangsdaten \virä vorgeschlagen, den Anfangszustand durch ein dynamisches interferometrisches Ausmessen einer festen Maßverkörperung (z, B. Strichmaßstab) mit einem Laser-Wegmeßsystern zu erfassen» Neben dem hohen Aufwand an bewegter Mechanik sind Fehler durch thermische Instabilitäten der festen Maßverkörperung durch zusätzliche,· ζ* B. lichtelektrische Abtastsysteme und durch Kippfehler beim Ablauf des dynamischen Meßyorgangs. möglich..

Ziel der Erfindung:

Ziel der Erfindung ist ein einfaches, zuverlässiges, automatisches Verfahren zur Messung der Wellenlängen eines - frequenz stabilisierten Lasers bei wechselnden Umwelteinflüssen zum Zweck der Fehlerkompensation in Präzisions-Meß-und-Bearbeitungsgeräten.

DarIegung^ des Wβsens der Erfjndung^ Nachteil, der bisher bekannten Verfahren ist der Umstand, daß der Anschluß der von einem Normalinterferometer erfaßbaren zeitlichen Veränderungen des Brechwertes der Luft an den Anfangswert entweder durch subjektive Messungen der einzelnen Einflußgrößen oder mit aufwendigen selbst fehlerbehafteten Vergleichsrnessungen geschieht«, Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches Verfahren, mit dem ebenso der Anfangszustand wie auch Veränderungen des Brechwertes der Luft in unmittelbarer Nähe des eigentlichen Laser-Wegmeßsystems kontinuierlich gemessen werden. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß eine Normalstrecke interferentiell in bekannter Weise -auf Veränderungen des Bre-chwertes überwacht wird, zur Erfassung der Anfangswerte die-Normalstrecke zeitweilig evakuiert wird.. Da der Brechwert des Vacuums bekannt ist,' gibt eine kontinuierliche Messung der Veränderungen während des Evakuieren^ bzw. Belüftens,und darüber hinaus jederzeit Aufschluß über den absoluten Brechwert der Luft bzw. die Wellenlänge des Laserstrahles, so daß über einen Steuerrechner kontinuierlich die Meßwerte der Laser-Wegmeßsysteme

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des Präzisionsmeß- oder -bearbeitungsgerätes korrigiert werden können. Erfindungsgemäß wird das durch.ein Laserinterferometer gelöst, bei dem einer der beiden zur Interferenz gebrachten Strahlen durch den evakuierten Raum bekannter Länge, der andere in der Luft verläuft. Je nach der Dimensionierung der Weglängen beider Strahlen sind .zwei Betriebsarten möglich (siehe Ausführungsbeispiele), bei denen der. Raum entweder vor Inbetriebnahme, des Gerätes evakuiert wird und während des Betriebes belüftet ist oder aus dera anfangs belüfteten Zustand vor der Inbetriebnahme evakuiert wird. Die Messung der Veränderungen während des Betriebes erfolgt dann über den anderen Teilstrahl.

Ausführ ungsbeisp i el e,;

Ausführungsbeispiel "1 (Figur 1.) : ' Der aus dem Interferometer 1 austretende Meßstrahl 2 durchläuft die im evakuierbaren Rohr 3 befindliche Vergleichsstrecke bekannter Länge, wird am Winkelspiegel 4 reflektiert und kommt im Interferometer mit dem am Winkelspiegel 6 reflektierten Referenzstrahl 5 zur Interferenz. Der Winkelspiegel 6 ist so angeordnet, daß die Weganteile in der Luft für beide Strahlen gleich lang sind, so daß sich bei evakuiertem Rohr die Umwelteinflüsse nicht auf die Interferenz auswirken. Zur Kompensation der Glaswege ist im Referenzstrahl eine entsprechende Glasplatte 8 angeordnet. Es ist bei dieser Anordnung wichtig, die Winkelspiegel 4 und 6 durch temperaturstabile· Elemente 9 auf konstantem Abstand zu halten. Toleranzen der Länge des evakuierbaren Rohres sind weitestgehend unkritisch. Die Evakuierung erfolgt vor der Inbetriebnahme des Gerätes durch eine Vacummpumpe 10 über ein einstellbares Ventil !Nach dem Einschalten des Interferenzzählers wird über das Ventil 12 langsam bis zum völligen Druckausgleich belüftet. Der Interferenzzähler bleibt während der gesamten Arbeitephase,in Betrieb und erfaßt kontinuierlich die Differenz der Wellenzahl zwischen Vacuum und dem momentanen Zustand der Luft. Ein leichtes Besaugen des Rohres zum vollständigen Temperaturausgleich ist .dann sinnvoll_f wenn dabei, kein störender Druckabfall im Rohr entsteht»

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Ausführungsbeispiel 2 (Figur 2): '. · ' -. Analog zum Ausführungsbeispiel 1 sind alle Elemente und ihre Bezugszeichen ebenso vorhanden. Es werden nur die funktioneilen Unterschiede erläutert« Im Gegensatz zur Ausführung 1 sind beide Interferenzstrahlen gleich lang. Die Glaswege 7 und der Weganteil 2 der Strahlen außer~ halb des evakuierbaren Rohres 3 kompensieren sich .in ihrer optischen Wirkung mit entsprechenden Weganteilen. 5 und 8 im Referenzstrahl. Optisch wirksam bleiben also der Weganteil im Vacuumrohr· und ein gleich langer des Referenzstrahles in der Luft. Das Rohr wird nach dem Einschalten des Interferenzzählers langsam evakuiert. Während des Betriebes des Meß- oder Bearbeitungsgerätes bleibt das Rohr evakuiert. Veränderung des Brechwertes der Luft werden vom entsprechenden Weganteil des.Referenzstrahls wahrgenommen und über das Interferometer gemessen. Die Strecken zwischen dem Interferometer 1 und den Winkelspiegeln 4 und 6 sind gleich lang und gegenüber thermischen Längenänderungen des Verbindungselementes unempfindlich, wenn sich das Interferometer 1 und beide Winkelspiegel 4 und β auf einer gemeinsamen Grundplatte' 9 befinden. Nachteil dieser Ausführung ist die Notwendigkeit der ständigen Evakuierung während der Betriebszeit des Meß- oder Bearbeitungsgerätes»

Claims (3)

1. anspruch

   1. Verfahren zur Messung der Wellenlänge eines frequenzstabilisierten Lasers unter Berücksichtigung. der Umwelteinflüsse Druck, Temperatur, luft-.., feuchtigkeit, bei dem einer der beiden zur Interferenz gebrachten Strahlen mindestens teil-' weise in einem evakuierbarem Raum bekannter Länge verläuft, dadurch gekennzeichnet, daß der evakuierbare Raum nacheinander belüftet und evakuiert bzw. evakuiert und bis zum Erreichen atmosphärischer Bedingungen belüftet wird und die unter atmosphä- rischen Bedingungen gegenüber dem Vacuum veränderte Wellenlänge durch Zählung der Interferenzen gemessen wird.
2. 2. Einrichtung' zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Luft bzw« im Glas verlaufenden Weganteile der beiden Strahlen₅ von denen der eine im evakuierbaren 'Raum, der andere außerhalb dieses Raumes zwischen dem Interferometer und dem Meß- bzw. Referenz spiegel verläuft, gleich lang sind.
3. 3. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Punkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtwege beider Strahlen zwischen Interferometer und Meß- bzw. Referenzspiegel und die im Glas verlaufenden Weganteile gleich lang sind»

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