DD140791A1

DD140791A1 - Method for measuring the wavelength of a laser beam

Info

Publication number: DD140791A1
Application number: DD21034479A
Authority: DD
Inventors: Rolf Rueger; Werner Scheler; Norbert Oertel; Karl-Werner Gommel
Original assignee: Rolf Rueger; Werner Scheler; Norbert Oertel; Gommel Karl Werner
Priority date: 1979-01-05
Filing date: 1979-01-05
Publication date: 1980-03-26
Also published as: DE2946560A1; GB2039382B; DD140791B1; GB2039382A

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.Method for measuring the wavelength of a frequency-stabilized laser, taking into account the environmental influences pressure, temperature, humidity, in which one of the two brought to interference rays at least partially in an evacuable space of known length, characterized in that the evacuated space aerated one after the other and evacuated or evacuated and measured until reaching atmospheric conditions to the vacuum changed wavelength by counting the interference.

Description

Verfahren zur.Messung der Wellenlänge eines LaserstrahlesMethod for measuring the wavelength of a laser beam

AjyAiendjmgsgeb^AjyAiendjmgsgeb ^

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«The invention relates to a method for measuring the wavelength of a frequency-stabilized laser beam in a gaseous medium, taking into account the environmental influences pressure, temperature and composition of the gas, d. h * for the indirect determination of the refractive index of the gaseous optical medium. This method finds z. B »in precision measuring and processing equipment Application in which the wavelength of a laser beam is used as a length standard«

Charakteristik der, bekannten,, technischen L'osungentCharacteristic of the "known" technical solution

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.'The wavelength of a laser beam depends on a frequency-stabilized laser from the refractive index of the optical medium, which passes through the beam. In the case of precision measuring and processing devices with laser measuring systems, it is necessary to shield the environmental influences - in particular pressure and temperature - from the standard or to record these for the purpose of correcting the measured results. »Defined conditions are given in a vacuum. With the universal single repeater UER'des VEB Carl Zeiss JENA, the measuring beams are guided in evacuated tubes (Jenaer Rundschau 1977 »H. 4> S * 168). Since the length of the evacuated tube must constantly change with the measuring path? there are constructional problems in sealing the evacuated tube and applying the necessary forces, to displace the telescoping, evacuated tube connected to the precision coordinate.

- 2 - ZlU J 4 4- 2 - ZlU J 4 4

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.A common practice. computer-controlled correction of the measured values of the laser Wegmeßsystems.nach the at the beginning of the measuring or machining process conventionally determined initial pressure and temperature data (Feingerätetechnik 1976, H. 6, p 256). For longer processing times, it is in particular pressure fluctuations by air conditioning or metereological processes that require a continuous correction according to the current data * The effort for the continuous digital measurement of the individual environmental factors (pressure, temperature, humidity, COp content) and their computational processing for Measured value correction is quite high. It was therefore natural to measure the refractive index of the air directly by interferometry. Federal Republic of Germany Patent Specification 1 235 601 describes a normal interferometer, in addition to the actual interferometric measuring device, for monitoring the refractive index of the air. In the event of a deviation from the defined initial value, the pressure within the entire hermetically sealed device is automatically corrected. The initial values for pressure, temperature, etc. are measured and by. Change of the initial pressure of the desired refractive power set. In addition to this disadvantage, the pressure-tight jacket with a high cost and disadvantages in industrial use soJbher devices (charging), connected.

(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.(see also Feingerätetechnik, 1974 »H. 6, p. 274) In the Federal Republic of Germany 1 623 300 a compensation device with a purely optical operating principle is connected. By means of a diffraction grating turned on in the laser beam path, the measuring beam experiences a deflection which depends on the refractive value of the air. If certain geometric conditions of the entire interferometer system are maintained, the measurement error is compensated.

Im DDR-Wirtschaftspatent 186 777 und in der Zeitschrift Feingerätetechnik, 1976$ H* 7> S. 307 wird ebenfalls dieIn the GDR commercial patent 186 777 and in the journal Feingerätetechnik, 1976 $ H * 7> p. 307 is also the

interferornetrische Überwachung von Veränderungen des • Brechwertes über eine konstante Normalstrecke beschrieben»interferometric monitoring of changes in the refractive index over a constant normal distance »

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..In addition to the already mentioned method of inputting the initial data, it is proposed to detect the initial state by means of a dynamic interferometric measurement of a solid material measure (eg line scale) with a laser position measuring system. In addition to the high expenditure on moving mechanics, there are errors by thermal instabilities of the solid measuring standard by means of additional light-electric scanning systems and by tilting errors during the course of the dynamic measuring process. possible..

Ziel der Erfindung:Object of the invention:

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.The aim of the invention is a simple, reliable, automatic method for measuring the wavelengths of a - frequency-stabilized laser with changing environmental influences for the purpose of error compensation in precision measuring and processing equipment.

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-WegmeßsystemeDisadvantage of the Invention of the Invention The drawback of the hitherto known methods is the fact that the connection of the temporal changes in the refractive power of the air to the initial value which can be detected by a normal interferometer is effected either by subjective measurements of the individual influencing variables or by complex self-faulting comparative measurements. The object of the invention is a simple method, with which also the initial state as well as changes in the refractive power of the air in the immediate vicinity of the actual laser Wegmeßsystems be measured continuously. The invention is based on the basic idea that a normal distance is monitored interferentially in a known manner on changes in the Bre-chwertes, to detect the initial values of the normal distance is temporarily evacuated .. Since the refractive power of the vacuum is known, 'gives a continuous measurement the changes during the evacuation ^ or ventilation, and beyond any time information about the absolute refractive index of the air or the wavelength of the laser beam, so that continuously via a control computer, the measured values of the laser Wegmeßsysteme

- 4 - Ä l'V %ßH ** - 4 - Ä * V % ßH **

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. of the precision measuring or processing device can be corrected. According to the invention, this is achieved by a laser interferometer in which one of the two beams brought into interference passes through the evacuated space of known length, the other in the air. Depending on the dimensioning of the path lengths of both beams, two operating modes are possible (see exemplary embodiments) in which the. Room is either evacuated prior to start-up, the unit is ventilated during operation or is evacuated from the initially ventilated condition prior to start-up. The measurement of the changes during operation then takes place via the other partial beam.

Ausführ ungsbeisp i el e,; Execution s ebisp 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»Exemplary embodiment "1 (FIG. 1): " The measuring beam 2 exiting from the interferometer 1 passes through the comparison section of known length located in the evacuatable tube 3, is reflected at the angular mirror 4 and interferes in the interferometer with the reference beam 5 reflected at the angular mirror 6 Angle mirror 6 is arranged so that the path components in the air for both beams are the same length, so that the environmental influences do not affect the interference with evacuated pipe Arrangement important to keep the angle mirrors 4 and 6 at a constant distance by temperature-stable elements 9. Tolerances of the length of the evacuatable pipe are largely uncritical Evacuation is carried out before the device is started up by a vacuum pump 10 via an adjustable valve! Interference counter is üb he ventilated the valve 12 slowly until complete pressure equalization. The interference counter remains in operation throughout the working phase and continuously records the difference in wave number between the vacuum and the instantaneous state of the air. A light intersucking the tube to full temperature compensation is .then useful when doing _f, no disturbing pressure drop in the pipe created "

~ 5 - 2~ 5 - 2

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»Exemplary embodiment 2 (FIG. 2): '. · '-. Analogously to the embodiment 1, all elements and their reference numerals are also present. Only the functional differences are explained. "In contrast to version 1, both interference beams have the same length. The glass paths 7 and the path portion 2 of the beams outside of the evacuable tube 3 compensate each other in their optical effect with corresponding path portions. 5 and 8 in the reference beam. The path component in the vacuum tube and an equal length of the reference beam in the air thus remain optically effective. The tube is slowly evacuated after turning on the interference counter. During operation of the measuring or processing device, the tube remains evacuated. Changes in the refractive power of the air are perceived by the corresponding path component of the reference beam and measured via the interferometer. The distances between the interferometer 1 and the angle mirrors 4 and 6 are the same length and insensitive to thermal changes in length of the connecting element when the interferometer 1 and both angle mirrors 4 and β are on a common base plate '9. Disadvantage of this design is the need for continuous evacuation during the operating time of the measuring or processing device ».

Claims

claim

1. Method for measuring the wavelength of a frequency-stabilized laser under consideration. humidity, in which one of the two jets brought into interference extends at least partly in an evacuable space of known length, characterized in that the evacuable space is successively ventilated and evacuated or evacuated and is aerated until atmospheric conditions are reached and the wavelength changed under atmospheric conditions to the vacuum is measured by counting the interferences.

2. Device 'for carrying out the method according to item 1, characterized in that the running in the air or «in the glass path portions of the two beams ₅ of which one in evakuierbaren' room, the other outside of this space between the interferometer and the Meß - Reference mirror runs, are the same length.

3. Device for carrying out the method according to item 1, characterized in that the total paths of both beams between the interferometer and the measuring or reference mirror and the path portions extending in the glass are the same length »

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