DD252678A1 - Anordnung zur interferometrischen messung der wellenlaenge und der linienform von laserstrahlung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung ist anwendbar in der Lasertechnik und dient der hochgenauen Messung der Wellenlaenge und der Linienform der Strahlung von kontinuierlichen und gepulsten Lasern. Im Strahlengang der zu untersuchenden Laserstrahlung ist hinter einem Strahlenteiler in dem einen Strahlengang ein Zweistrahl-Fizeau-Interferometer mittlerer Aufloesung, in dem anderen Strahlengang ein hochaufloesendes Fabry-Perot-Interferometer und in jedem der beiden Teilstrahlengaenge hinter dem Interferometer ein bilderfassender Photoempfaenger angeordnet. Die Photoempfaenger sind zweckmaessig zeilenfoermige Empfaengerarrays vom CCD-Typ. Die einem Computer zugefuehrten photoelektrischen Signale werden so ausgewertet, dass der Messwert mittlerer Genauigkeit fuer die Wellenlaenge der Laserstrahlung, den die Auswertung der Signale des Bildempfaengers hinter dem Fizeau-Interferometer liefert, als Eingangswert verwendet wird fuer die Auswertung der Signale des Bildempfaengers hinter dem Fabry-Perot-Interferometer zur endgueltigen Bestimmung der Wellenlaenge der untersuchten Laserstrahlung mit hoher Genauigkeit. Figur

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung ist anwendbar in der Lasertechnik und dient der hochgenauen Messung der Wellenlänge und der Linienform der Strahlung von kontinuierlichen und gepulsten Lasern.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik . '

Es ist bereits eine Reihe technischer Lösungen zur hochgenauen Messung der Wellenlänge und/oder der Linienform der Strahlung von kontinuierlichen und gepulsten Lasern bekannt. Unter hochgenauer Messung sollen hier Messungen mit einer Meßgenauigkeit von wenigstens Δλ/λ = 10"⁶ verstanden werden (λ Wellenlänge). Alle diese Lösungen arbeiten mit interferometrischen Methoden.

Es gibt Lösungen, die auf kontinuierliche und quasikontinuierliche Laser beschränkt sind. Bei ihnen wird während der Messung der Gangunterschied zwischen interferierenden Strahlen kontinuierlich geändert. Das führt zu Änderungen der Intensitäten im Interferenzbild, deren Frequenz die Wellenlänge bestimmt.

Bei einem Typ wird ein Reflektor in dem einen Arm eines Michelson-Interferometers bewegt (Kowalski, F. V., Hawkins, R.T., Schawlow^.L.iJosaee^eStWeiiHalU.l.^ee^.A.iAppl.Phys. Lett.29,[1981]; Monchalin, J.P.: Appl.Opt.20,736[1981]).

Bei einem anderen Typ wird der eine Reflektor eines sphärischen Fabry-Perot-Interferometers gegenüber dem anderen verschoben (Salimbeni, R., Pole, R.V.: Opt. Lett. 5,39 [1980]).

Wegen der kontinuierlichen Bewegung der Reflektoren kann nur kontinuierliche und quasikontinuierliche Laserstrahlung vermessen werden.

Lösungen, die auch für gepulste Laser, die Einzelimpulse emittieren, geeignet sind, gibt es in vier Grundtypen (Snyder, J. J.:

Laser Focus 18, 55, [1982]). Das sind solche vom Michelson-, vom Zweistrahl-Fizeau-, vom Vielstrahl-Fizeau- und vom Fabry-Perot-Typ. Im folgenden werden einige typische Vertreter beschrieben. Angaben über die erreichte Meßgenauigkeit sind immer dabei, die Meßzeit dagegen ist oftmals unbekannt. Sie hängt zudem von den jeweils verwendeten Computern ab und ist daher als Vergleichswert nicht ohne weiteres geeignet.

Im sogenannten „Sigmameter" (Juncar, P. und J. Pinard; Rev. Sei. Instr. 53,939 [1982]) werden vier in der Dicke abgestufte Michelson-Interferometer und ein konventionelles Spektrometer geringer Auslösung als Vorzerleger verwendet. Die Reihung mehrerer Interferometer ist nötig, weil die Auflösung und der sogenannten „freie Spektralbereich" gegenläufig sind, so daß genauere Meßwerte als solche, die mit einem „dickeren" Interferometer höherer Auflösung gewonnen werden, bereits Kenntnisse über die ungefähre Wellenlänge benötigen, die man sich mit dem Interferometer der vorhergehenden Stufe verschafft. Die Genauigkeit wird mit Δλ/λ = 10~⁸ für kontinuierliche Laserstrahlung angegeben, für gepulste Laser ist sie vermutlich weniger gut.

Bei einem im Aufbau relativ einfachen Wellenlängenmesser auf der Basis eines einzelnen Zweistrahl-Fizeau-Interferometers (Snyder, J. J.: Appl. Opt. 23,3862 [1984]) wird durch eine spezielle Auswertetechnik für die Interferenzstreifen eine Meßgenauigkeit Δλ/λ = 10~^β erreicht. Höhere Genauigkeiten sind wegen der Anfälligkeit gegenüber DeJustierungen nicht erreichbar.

In einem weiteren bekannten Wellenlängenmesser (Lee, L. S. und Schawlow, A. L.: Opt. Letters 6,610 [1981]) werden fünf in der Dicke abgestufte Vielstrahl-Fizeau-Interferometer benutzt (s. a. Cahen,C, Jegou, J.P. et al.: Rev. Phys. Appl. 16,353 [1981]). Es wird eine Genauigkeit von Δλ/λ = 4 · 10"⁸ erreicht. Die Meßzeit liegt etwa bei 1 Sek.

Nachteilig ist hier die Empfindlichkeit gegenüber DeJustierungen, insbesondere in den höheren Stufen.

In einem anderen bekannten Wellenlängenmesser werden drei in der Dicke abgestufte Fabry-Perot-Interferometer und ein konventionelles Spektrometer geringer Auflösung als Vorzerleger verwendet (Fischer, A., Kullmer, R. und Demtröder, W.: Opt.

Comm.39,277 [1981]). Erreicht wird eine Meßgenauigkeit von Δλ/λ = 1,4 ·10~⁷ bei einer Meßzeit von 20 Sekunden für die absolute Wellenlänge, die Angabe der Linienform oder eine relative Wellenlängenmessung erfolgen bedeutend schneller.

In einem weiteren, dem vorstehend beschriebenen ähnlichen Wellenlängenmesser werden vier Fabry-Perot-Interferometer und ein Referenzlaser eingesetzt, so daß relative Wellenlängenmessungen ausgeführt werden mit einer Meßgenauigkeit von Δλ/λ = 10~⁷ (Koniski, N., Suzuki, T. et al.: Appl. Phys. 25,311 [1981]). Ein Vergleich der verschiedenen Lösungen für kontinuierliche und gepulste Lager zeigt, daß bisher mindestens vier Einzelinterferometer oder drei Interferometer und ein konventioneller Vorzerleger mit in der Regel jeweils eigenem Fotoempfänger kombiniert werden, um eine Meßgenauigkeit von Δλ/λ = 10~⁷...10~⁸zu erreichen. Das bedeutet einen entsprechend hohen technischen Aufwand.

Verbunden damit ist auch eine relativ große Meßzeit, weil alle Empfänger abgefragt und die photoelektrischen Signale im

Computer unter Beachtung der Rangfolge verarbeitet werden müssen. *

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Anordnung verfügbar zu haben, mit der Wellenlänge und Linienform von Laserstrahlung mit hoher Genauigkeit meßbar sind bei gegenüber bekannten Lösungen geringerem meßtechnischen Aufwand und kürzerer Meßzeit.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine computergestützte Anordnung zur interferometrischen Messung der Wellenlänge und Linienform sowohl kontinuierlicher als auch gepulster Laserstrahlung anzugeben, bei der die Anzahl der verwendeten Interferometer und nachgeschalteten Empfänger auf ein Minimum beschränkt ist. Die Anordnung soll derart ausgebildet ein, daß sie bei Benutzung von Teilsystemen auch entweder nur für geringere erforderliche Genauigkeit zur Wellenlängenmessung oder nur zur hochgenauen Bestimmung der Linienform und der relativen Wellenlänge einsetzbar ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß im Strahlengang der zu untersuchenden Laserstrahlung hinter einem Strahlenteiler in dem einen Strahlengang einZweistrahl-Fizeau-lnterferometer mittlerer Auflösung und in dem anderen Strahlengang ein Fabry-Perot-Interferometer hoher Auflösung angeordnet sind, daß jedem der beiden Interferometer ein bilderfassender Fotoempfänger folgt und daß die photoelektrischen Signale einem Computer zugeführt werden.

Der Computer wertet zunächst die Signale des Empfängers hinter dem Fizeau-Interferometerso aus, daß ein Meßwert λ^(ο1 mittlerer Genauigkeit für die Wellenlänge gewonnen wird. Dazu werden Abstand und Bruchteil der Fizeau-Interferenzstreifen in an sich bekannter Weise durch den Computer bestimmt. Aus Abstand, Bruchteil und Interferometerdicke folgt in ebenfalls an sich bekannter Weise der Meßwert λ^(ο) λ^(ο) läßt sich so mit einer Genauigkeit von etwa Δλ/λ^(ο1 = 1CT⁶ bestimmen.

Der Computer wertet dann die Signale des Empfängers hinter dem Fabry-Perot-Interferometer so aus, daß unter Nutzung des Meßwertes λ^(ο1 mittlerer Genauigkeit ein Meßwert λ'¹¹ höherer Genauigkeit erhalten wird. Dazu werden in an sich bekannter Weise Radien und, unter Nutzung des Meßwertes λ⁽⁰⁾, Teilringordnung der Fabry-Perot-Interferenzringe bestimmt. Aus Teilringordnung und Interferometerdicke folgt in ebenfalls an sich bekannter Weise der Meßwert λ⁽¹⁾, der um 1 bis 2 Größenordnungen genauer ist als λ^(ο1.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Anordnung ist in dem Strahlengang, der das Fizeau-Interferometer enthält, hinter dem Strahlenteiler nacheinander ein Aufweitungssystem mit vernachlässigbaren chromatischen Fehlern, bestehend aus Fokussierlinse, Lochblende (Pinhole) und Kollimator, das Fizeau-Interferometer und ein bilderfassender Fotoempfänger und in dem Strahlengang, der das Fabry-Perot-Interferometer enthält, hinter dem Strahlenteiler nacheinander ein optisches System ohne besondere Ansprüche an seine chromatischen Fehler, das ein divergentes oder konvergentes Strahlenbündel erzeugt, das Fabry-Perot-Interferometer, ein weiteres optisches System ohne chromatische Fehler, und in dessen Brennebene ein

bilderfassender Fotoempfänger angeordnet. '

Dabei können die bilderfassenden Fotoempfänger zellenförmige Empfängerarrays vom CCD-Typ (charge coupled device) und der Kollimator im Fizeau-Interferometer-Strahlengang und/oder das optische System hinter dem Fabry-Perot-Interferometer außeraxiale paräboloidische Spiegel sein.

Zweckmäßigerweise ist das optische System vordem Fabry-Perot-Interferometer derart ausgebildet, daß es ein Strahlenbündel mit etwa rechteckigem Querschnitt erzeugt, der in Breite, Höhe und Orientierung dem zellenförmigen Fotoempfänger angepaßt ist. Dieses optische System besteht in der Hintereinanderschaltung einer schwachen zerstreuenden bzw. sammelnden sphärischen Linse und einer stärkeren zerstreuenden bzw. sammelnden Zylinderlinse.

Eine weitere vorteilhafte Maßnahme besteht darin, daß in den Strahlengang der zu untersuchenden Laserstrahlung die Strahlung eines Referenzlasers, der eine oder mehrere Referenzwellenlängen emittiert, eingespiegelt werden kann.

Die Anordnung ist erfindungsgemäß weiter durch entsprechende Steuerung des Computers so gestaltet, daß sowohl der Strahlengang, der das Fizeau-Interferometer enthält, zur Gewinnung eines Meßwertes mittlerer Genauigkeit für die Wellenlänge in der beschriebenen Weise als auch der Strahlengang, der das Fabry-Perot-Interferometer enthält, zur Messung der Linienform oder zur Messung der relativen Wellenlänge jeweils für sich allein betrieben werden kann. Die Feinstruktur (Linienform) der Laserstrahlung sowohl als auch die Wellenlänge der Strahlung eines Lasers relativ zu der eines anderen können mit dem Fabry-Perot-Interferometer allein in einfacher, an sich bekannter Weise durch Messung der Radien der Interferenzringe der in der Feinstruktur enthaltenen Wellenlängen bzw. der unbekannten und der Referenzwellenlänge (bei der relativen Wellenlängenmessung) bestimmt werden.

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt schematisch eine Anordnung zur Messung der Wellenlänge mit hoher Genauigkeit oder zur vereinfachten Messung der Wellenlänge mit geringerer Genauigkeit oder zur Bestimmung der Linienform der Strahlung oder zur relativen Wellenlängenmessung.

In dem einen Eingangsstrahlengang vor dem Strahlenvereiniger T₁ (umgekehrter Strahlenteiler) ist der Laser L₁, der das Licht aussendet, dessen Wellenlänge oder Linienform bestimmt werden soll, angeordnet. In dem anderen Eingangsstrahlengang befindet sich ein Laser L₂, dessen Licht als Referenzstrahlung zur Eichung der Interferometer oder als Referenz zur relativen _- Wellenlängenmessung dienen soll, und ein Verschluß V. Hinter dem Strahlenvereiniger T₁ folgt im Strahlengang der Strahlenteiler T₂.

In dem einen Teil-Strahlengang hinter dem Strahlenteiler T₂ folgen aufeinander ein Umlenkspiegel Si, ein Bündelaufweitungssystem, bestehend aus dem apochromatischen Objektiv O₁, einer Lochblende (Pinhole) PH, einem Umlenkspiegel S₂ und einem Kollimatorobjektiv O₂, das frei ist von chromatischen Fehlern (z. B. Apochromat oder Off-Axis-Parabol-Spiegel).

Im Parallelstrahlengang hinter dem Kollimatorobjektiv O₂ befinden sich dann das Fizeau-Interferometer Fl und nachfolgend der bilderfassende Fotoempfänger FE₁ ohne Zwischenschaltung weiterer optischer Elemente, weshalb der Fotoempfänger FE₁ in der Nähe der „scherungsfreien Position" (zero-shear-position) (s. z.B. Snyder, J.J.: Appl. Opt. 23,3862 [1984]) angeordnet werden soll. Als Fotoempfänger dient mit Vorteil ein zellenförmiges Empfängerarray vom CCD-Typ (charge coupled device) mit z. B. 1 024 Elementen.

In dem anderen Teilstrahlengang hinter dem Strahlenteiler T₂ folgen aufeinander ein zerstreuendes Objektiv O₃, das Fabry-Perot-Interferometer FPI, ein farbfehlerfreies Objektiv O₄ und in dessen Brennebene der bilderfassende Fotoempfänger FE₂. Auch hier ist das mit Vorteil ein zellenförmiges Empfängerarray wie FE₁.

Die photoelektrischen Signale von den Empfängern werden über einen elektronischen Multiplexer MUX und den Analog-Digital-Wandler ADC dem Mikrocomputer COMP zugeführt. Dieser steuert einerseits durch ein Synchronisiersignal den Laser L1 bei Impulsbetrieb so, daß die Laserimpulse zum Zeitregime der Fotoempfänger FE₁, FE₂ und des Multiplexers MUX passen, die ihrerseits durch weitere Synchronisiersignale aneinander angepaßt werden. Andererseits führt der Computer die mathematischen Operationen zur Bestimmung der Wellenlänge bzw. der Linienform aus und gibt die .Meßwerte aus bzw. stellt die Form der Linie auf dem Display dar.

Die verschiedenen Funktionsweisen der Anordnung (absolute Wellenlängenmessung hoher Genauigkeit, absolute Wellenlängenmessung mittlerer Genauigkeit, Bestimmung der Linienform, relative Wellenlängenmessung) werden durch programmtechnische Maßnahmen im Computer in Betrieb genommen.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich eine Reihe von Vorteilen erzielen.

Durch die Kombination eines Fizeau-Interferometers als Wellenlängenmesser mittlerer Genauigkeit zur Gewinnung einer Eingangswellenlänge mit einem Fabry-Perot-Interferometer hoher Auflösung, das die Meßgenauigkeit der Eingangswellenlänge um ein bis zwei Größenordnungen erhöht, wird der technische Aufwand zur Erreichung einer End-Meßgenauigkeit von Δλ/ λ = 10"⁷..:10"⁸ spürbar herabgesetzt im Vergleich mit den bekannten Lösungen, die wenigstens vier Vielstrahl-Fizeau-oder Fabry-Perot-Interferometer benötigen. Gleichzeitig wird die Meßzeit verkürzt, weil nur noch die Signale aus zwei Fotoempfängern in den Computer übernommen und nacheinander ausgewertet werden müssen.

Ein zusätzlicher Vorteil ist die vorgesehene Möglichkeit, jedes Interferometer für Spezialanwendungen wie Wellenlängenmessung mittlerer Genauigkeit oder Messung der Linienform oder relative Wellenlängenmessung bei weiterer Verkürzung der Meßzeit für sich allein zu betreiben.

Claims (8)

1. Anordnung zur interferometrischen Messung der Wellenlänge und der Linienform von Laserstrahlung, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang der zu untersuchenden Laserstrahlung hinter einem Strahlenteiler (T₂) in dem einen Strahlengang ein Zweistrahl-Fizeau-Interferometer mittlerer Auflösung (Fl), in dem anderen Strahlengang ein hochauflösendes Fabry-Perot-Interferometer (FPI) und in jedem der beiden Teilstrahlengänge hinter dem Interferometer ein bilderfassender Photoempfänger (FE₁ bzw. FE₂) angeordnet ist, daß die photoelektrischen Signale einem Computer (COMP) zugeführt und im Computer (COMP) so ausgewertet werden, daß der Meßwert mittlerer Genauigkeit für die Wellenlänge der untersuchten Laserstrahlung, den die Auswertung der Signale des Bildempfängers (FE₁) hinter dem Fizeau-Interferometer (Fl) liefert, als Eingangswertverwendetwirdfürdie Auswertung derSignale des Bildempfängers (FE₂) hinterdem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) zur endgültigen Bestimmung der Wellenlänge der untersuchten Laserstrahlung mit hoher Genauigkeit.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in dem Strahlengang, der das Fizeau-Interferometer (Fl) enthält, hinter dem Strahlenteiler (T₂) nacheinander ein Aufweitungssystem, bestehend aus Fokussierlinse (O₁), Lochblende (PH) und Kollimator (O₂), das Fizeau-Interferometer (Fl) und ein bilderfassehder Fotoempfänger (FE-i) und in dem Strahlengang, der das Fabry-Perot-Interferometer (FPI) enthält, hinter dem Strahlenteiler (T₂) nacheinander ein optisches System (O₃), das ein divergentes oder konvergentes Strahlenbündel erzeugt, das Fabry-Perot-Interferometer (FPI), ein weiteres optisches System (O₄) ohne chromatische Fehler und in dessen Brennebene ein bilderfassender Fotoempfänger (FE₂) angeordnet sind.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß die bilderfassenden Fotoempfänger (FE₁ bzw. FE₂) zellenförmige Empfängerarrays vom CCD-Typ (charge coupled device) sind.

4. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß der Kollimator (O₂) in dem Strahlengang, der das Fizeau-Interferometer (Fl) enthält und/oder das optische System (O₄) hinter dem Fabry-Perot-Interferometer außeraxiale paraboloidische Spiegel sind.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß das optische System (O₃) das vor dem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) ein divergentes oder konvergentes Strahlenbündel erzeugt, so beschaffen ist, daß das Strahlenbündel hinterdem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) nicht mehr rotationssymmetrisch ist, sondern einen etwa rechteckigen Querschnitt hat, der in seiner Breite, Höhe und Orientierung dem zellenförmigen Fotoempfänger (FE₂) angepaßt ist.

6. Anordnung nach Anspruch 5, gekennzeichnet dadurch, daß das optische System (O₃), das vor dem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) ein divergentes oder konvergentes Bündel erzeugt, in der Hintereinanderschaltung einer schwachen zerstreuenden bzw. sammelnden sphärischen Linse und einer stärkeren zerstreuenden bzw. sammelnden Zylinderlinse besteht.

7. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß in den Strahlengang der untersuchten Laserstrahlung (L₁) die Strahlung eines Referenzlasers (L₂) der eine oder mehrere Referenzwellenlängen emittiert, eingespiegelt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 1 und 7, gekennzeichnet dadurch, daß schaltungstechnische Maßnahmen im Computer (COMP) vorgesehen sind, derart, daß nur die Signale des Fotoempfängers (FE₁) hinter dem Fizeau-Interferometer (Fl) oder auch nur die Signale des Fotqempfängers (FE₂) hinter dem Fabry-Perot-Interferometer (FPI) allein weiter verarbeitet werden zur Gewinnung eines Meßwertes mittlerer Genauigkeit für die Wellenlänge oder zur Bestimmung

der Linienform oder bei Zuschaltung eines Referenzlasers (L₂) zur relativen Wellenlängenmessung.

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