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Optische
Messungssysteme trennen häufig Polarisationskomponenten
eines Lichtstrahls und verwenden die getrennten Komponenten für unterschiedliche
Zwecke. Ein Interferometer z. B. kann eine Polarisationskomponente
trennen und für
einen Messungsstrahl verwenden, der von einem Objekt, das gemessen
wird, reflektiert, während
die andere orthogonale Polarisationskomponente einen Referenzstrahl
bildet, der mit dem Messungsstrahl verglichen wird. Ein Vorteil
eines Verwendens von Polarisationskomponenten besteht darin, dass
die zwei Komponentenstrahlen kollinear sein können und die gleichen gemeinsamen
Modenwirkungen gemeinschaftlich verwenden, wenn erwünscht, und
unter Verwendung von Polarisationsstrahlteilern getrennt oder rekombiniert
werden können.
Die Polarisationen der Komponentenstrahlen bei derartigen Messungssystemen
müssen
jedoch allgemein sorgfältig
gesteuert sein, um Polarisationsveränderungen zu vermeiden, die
die Komponentenstrahlen mischen.
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Ein
Ergebnis eines Polarisationsmischens bei Interferometern wird häufig als
zyklische Fehler oder zyklische Nichtlinearitäten bezeichnet. Die
US-Patente Nr. 4,930,894 und
4,693,605 z. B. beschreiben
Interferometer, bei denen eine Polarisationsveränderung eines Messungsstrahls
oder eines Referenzstrahls ein Polarisationslecken zwischen dem
Referenzstrahl und dem Messungsstrahl bewirken kann, was in zyklischen
Nichtlinearitäten
oder Messungsfehlern resultiert. Quellen einer Polarisationsveränderung
bei diesen Interferometern umfassen unvollkommene Polarisationsbeschichtungen bei
Polarisationsstrahlteilern, unvollkommene Verzögerungsplatten, die Polarisationen
nicht auf die gewünschte
Weise verändern,
und Retroreflektoren, wie beispielsweise Würfeleckreflektoren.
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Ein
Retroreflektor, wie beispielsweise ein Festkörperwürfeleckreflektor, gibt im Allgemeinen
einen reflektierten Strahl zurück,
der parallel zu dem einfallenden Strahl ist, ungeachtet des Winkels
des einfallenden Strahls. Diese Eigenschaft macht Retroreflektoren
für eine
breite Vielfalt von optischen Systemen nützlich. Unbeschichtete Festkörperwürfeleckreflektoren
bewahren jedoch den Polarisationszustand des einfallenden Strahls
nicht. Eine reflektierende Beschichtung (z. B. eine Silberbeschichtung) kann
an einem Festkörperwürfeleckreflektor
verwendet werden, um die Polarisationsveränderung zu mäßigen oder
zu minimieren, aber Restpolarisationsveränderungen von einem beschichteten
Würfeleckreflektor
können
immer noch ein begrenzender Faktor bei der Präzision oder Genauigkeit von
Messungssystemen sein, die Polarisationskomponenten trennen.
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Es
sind somit optische Präzisionssysteme erwünscht, die
Retroreflektoren einsetzen können, aber
ein unerwünschtes
Mischen von Polarisationskomponenten vermeiden.
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Aus
der
US 5,106,191 A ist
bereits ein Halbleiterlaser-Längenmessgerät bekannt,
das eine erste und eine zweite Laserquelle beinhaltet, welche Licht von
unterschiedlichen Wellenlängen
abgeben.
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Die
Lichtstrahlen, die von den Halbleiterlaserquellen abgegeben werden,
sind jeweils linear polarisiert und haben eine übereinstimmende Orientierung.
Nach Umlenkung durch einen polarisierenden Strahlteiler durchlaufen
sie eine integrierte vierte Wellenlängenplatte, werden von einem
Retroreflektor reflektiert, erlaufen erneut die Viertelwellenlängenplatte
und werden dann nach wellenlängenabhängiger Strahlteilung
getrennt durch Photodetektoren erfasst.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein System und ein System
zum Analysieren eines Eingangsstrahls mit verbesserten Charakteristika
zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein System gemäß Anspruch 1, Anspruch 13,
Anspruch 14 und Anspruch 17 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf
die beiliegenden Zeichnungen näher
erläutert.
Es zeigen:
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1A und 1B eine
Vorderansicht bzw. eine perspektivische Hin- teransicht eines Festkörperwürfeleckreflektors
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung;
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2A ein
Linearinterferometer gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das polarisationsbewahrende Retroreflektoren verwendet;
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2B ein
Linearinterferometer gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das polarisationstransformierende Retroreflektoren
verwendet;
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3 ein
thermisch unausgeglichenes Planspiegelinterferometer gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das einen oder mehrere polarisationsbewahrende Retroreflektoren
verwendet;
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4 ein
anderes Planspiegelinterferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das einen polarisationsbewahrenden Retroreflektor verwendet;
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5 ein
Mehrachsen-Planspiegelinterferometer, das polarisationsbewahrende
Retroreflektoren verwendet, gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung;
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6 ein
Einachsen-Differenzinterferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das einen polarisationsbewahrenden Retroreflektor verwendet;
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7 ein
Mehrachsen-Differenzinterferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das polarisationsbewahrende Retroreflektoren verwendet;
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8 ein
Einachsen-Differenzinterferometer gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das polarisationsbewahrende und polarisationstransformierende
Retroreflektoren verwendet; und
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9 ein
System gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung, das polarisationsbewahrende Retroreflektoren bei
einem Messen der Wellenlänge
oder des Spektralgehalts einer Lichtquelle verwendet.
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Eine
Verwendung der gleichen Bezugszeichen in unterschiedlichen Figuren
gibt ähnliche
oder identische Elemente an.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung können optische
Messungssysteme, die Polarisationskomponenten trennen, Retroreflektoren
verwenden, die die Polarisation eines einfallenden Strahls bewahren oder
transformieren, ohne eine ungewollte Depolarisation zu bewirken.
Jeder Retroreflektor in einem Messungssystem kann ein Festkörperwürfeleck
mit einem oder mehreren polarisationsmanipulierenden Elementen umfassen,
wie beispielsweise Verzögerungsplatten,
optische Dreher oder Faraday-Dreher. Die polarisationsmanipulierenden
Elemente können die
Polarisation der einfallenden und/oder reflektierten Strahlen manipulieren,
um die erwünschte
Polarisationsbewahrung oder -transformation zu liefern.
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1A und 1B zeigen
eine Vorderansicht bzw. eine Rückansicht
eines getrimmten Würfeleckreflektors 100.
Der Würfeleckreflektor 100 umfasst
einen Festkörperblock 110 aus
Glas oder einem anderen Material optischer Güte mit drei plana ren reflektierenden
Oberflächen 112, 114 und 116 und
einer vorderen Fläche 118.
Die Oberflächen 112, 114 und 116 schneiden
sich in rechten Winkeln in der gleichen Weise wie der Schnitt von
Flächen
bei der Ecke eines Würfels
und die vordere Fläche 118 ist vorzugsweise
senkrecht zu einer Symmetrieachse durch einen Scheitelpunkt 115 der
Würfelecke.
Der Block 110 ist, wie es dargestellt ist, getrimmt, um überschüssiges Glas
zu entfernen und die Fläche 118 rechteckig
zu machen. Alternativ kann der Block 110 ungetrimmt sein
(d. h. ein tetraedrischer Glasblock mit dreieckigen Flächen 112, 114, 116 und 118) oder
kann getrimmt sein, um die Fläche 118 mit
irgendeiner anderen erwünschten
Form (z. B. kreisförmig)
zu versehen.
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Polarisationsmanipulierende
Elemente 160 und 170 befinden sich in den Wegen
eines einfallenden Strahls 180 bzw. eines reflektierten
Strahls 190, die die vordere Fläche 118 des Blocks 110 durchlaufen.
Der Würfeleckreflektor 100 ist
ein Retroreflektor und deshalb ist der reflektierte Strahl 190 von
dem Würfeleckreflektor 100 parallel
zu, aber versetzt von dem einfallenden Strahl 180, ungeachtet
der Richtung des einfallenden Strahls 180.
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Bei
einem Durchqueren des Blocks 110 reflektiert der einfallende
Strahl 180 von der Oberfläche 112 und dann von
der Oberfläche 116,
bevor eine endgültige
Reflexion von der Oberfläche 114 den
reflektierten Strahl 190 durch die Fläche 118 hinaus richtet.
Bei alternativen Ausführungsbeispielen
der Erfindung kann der Block 110 entweder an den Reflexionsoberflächen 112, 114 und 116 beschichtet
sein (z. B. mit einer reflektierenden Beschichtung, wie beispielsweise
Silber) oder kann unbeschichtet sein (z. B. eine Oberfläche, bei
der eine totale innere Reflexion auftritt). Die spezifischen Typen
von optischen Elementen, die für
die polarisationsmanipulierenden Elemente 160 und 170 verwendet
werden, hängen allgemein
davon ab, ob der Block 110 beschichtet oder unbeschichtet
ist.
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Der
Reflexionsprozess in dem Block 110 bei einem Ausführungsbeispiel,
bei dem der Block 110 beschichtet ist, bewahrt näherungsweise
kreisförmige
Polarisationen und jedes polarisationsmanipulierende Element 160 und 170 kann
bei diesem Ausführungsbeispiel
eine Viertelwellenverzögerungsplatte sein.
Eine Viertelwellenplatte, die eine langsame Achse bei 45° zu den Polarisationsrichtungen
der linearen Polarisationen der Komponenten aufweist, die bei einem
Messungssystem verwendet werden, wandelt allgemein die orthogonalen
linear polarisierten Komponenten in orthogonale kreisförmig polarisierte
Komponenten um. Insbesondere kann das Element 160 einen
linear polarisierten einfallenden Strahl 180 in einen kreisförmig polarisierten
Strahl für einen
Eintritt in den Block 110 verändern, aber der reflektierte
Strahl 190 wird dann eine etwas elliptische Polarisation
aufweisen, da Reflexionen bei einem beschichteten Würfeleckreflektor
kreisförmige
Polarisationen lediglich näherungsweise
bewahren. Das Element 190, falls dasselbe bei 45° zu den Polarisationsrichtungen
der linearen Polarisationskomponenten liegt, wandelt einen kreisförmig polarisierten
Strahl in einen linear polarisierten Strahl um, aber wandelt die elliptische
Polarisation in eine Mischung der zwei orthogonalen linearen Polarisationen
um.
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Gemäß einem
Aspekt der Erfindung weisen Viertelwellenplatten, die bei einem
beschichteten Würfeleckreflektor
verwendet werden, einstellbare Ausrichtungen auf. Bei diesem speziellen
Ausführungsbeispiel
können
die Elemente 160 und 170 Viertelwellenplatten
mit der Kristallachse sein, die von 45° weg eingestellt sind, um ein
Polarisationsmischen und die resultierenden zyklischen Fehler bei dem
Messungssystem zu minimieren.
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Der
Reflexionsprozess bei einem Ausführungsbeispiel,
bei dem der Block 110 unbeschichtet oder mit nichtverlustreichen
Beschichtungen beschichtet ist, z. B. einer dünnen dielektrischen Beschichtung,
transformiert spezifische orthogonale lineare Polarisationen 182 und 184 des
einfal lenden Strahls 180 in orthogonale lineare Polarisationen 192 bzw. 194 des
reflektierten Strahls 190. Insbesondere erzeugt der Block 110,
wenn derselbe unbeschichtet oder mit einer nichtverlustreichen Beschichtung
beschichtet ist, einen linear polarisierten reflektierten Strahl,
falls die Polarisation 182 in einem spezifischen Winkel
ist, der gemäß den Eigenschaften
des Würfeleckmaterials
ausgewählt
ist. Bei einem unbeschichteten Würfeleck,
das aus BK-7 hergestellt ist, beträgt dieser Winkel etwa 13,7° von einer
Ebene, die den Keil teilt, der durch die Oberflächen 112 und 114 gebildet
ist. In diesem Fall sind die ausgegebenen linearen Polarisationen 192 und 194,
die den eingegebenen linearen Polarisationen 182 bzw. 184 entsprechen,
orthogonal, aber um etwa 13,7° in
die entgegengesetzte Richtung gedreht. Gemäß einem Aspekt der Erfindung
können
die polarisationsmanipulierenden Elemente 160 und 170 die
Polarisationen 182 und 184 oder 192 und 194 drehen,
so dass der Würfeleckreflektor 100 die
Polarisationskomponenten des Eingangsstrahls bewahrt. Alternativ
können die
polarisationsmanipulierenden Elemente 160 und 170 eine
gesteuerte Transformation der linearen Polarisation erzeugen, so
dass die Ausgangspolarisation sich von der Eingangspolarisation
auf eine bekannte Weise unterscheidet (z. B. um einen Winkel gedreht
ist, der ein ganzzahliges Vielfaches von 90° ist).
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Bei
einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem der Block 110 unbeschichtet ist
oder eine nichtverlustreiche Beschichtung aufweist, ist jedes polarisationsmanipulierende
Element 160 oder 170 eine Halbwellenverzögerungsplatte,
die sich in einer Befestigung befindet, die eine Einstellung der Ausrichtung
der langsamen Achse des Elements 160 oder 170 ermöglicht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel
ist die Eingangshalbwellenplatte 160 in situ eingestellt,
um den resultierenden linear polarisierten Ausgangsstrahl zu drehen,
wie es für
eine Verwendung bei dem Messungssystem erforderlich ist. Die Ausgangshalbwellenplatte 170 ist ähnlich in
situ eingestellt, um den resultierenden linear polarisierten Ausgangsstrahl
zu drehen, wie es für
eine Verwendung bei dem Messungssystem erforderlich ist.
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Bei
einem anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung, bei dem der Block 110 unbeschichtet ist, ist
jedes polarisationsmanipulierende Element 160 oder 170 ein
optischer Dreher oder ein Faraday-Dreher, der die Polarisationsrichtungen
um die erwünschten
Größen dreht,
um zyklische Fehler oder Nichtlinearitäten bei einem Messungssystem
zu minimieren. Optische Dreher oder Faraday-Dreher weisen den Vorteil
eines Lieferns der erwünschten
Größe einer
Drehung auf, ohne einen zeitraubenden Ausrichtungsprozess zu benötigen. Zusätzlich ist
ein optischer Dreher, der auf Quarz basiert, typischerweise dicker
(z. B. etwa 1 mm) als eine Wellenplatte (z. B. etwa 0,02 mm) und
deshalb einfacher zu handhaben.
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2A stellt
ein Interferometer 200 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Das Interferometer 200 umfasst eine
Lichtquelle 210, einen Polarisationsstrahlteiler (PBS;
PBS = polarizing beam splitter) 220, einen Referenzreflektor 230,
einen Messungsreflektor 240 und Messungselektronik 250.
Das Interferometer 200 kann im Handel erhältlichen
Interferometern ähnlich
sein, wie beispielsweise einem Linearinterferometer 10702A, das
von Agilent Technologies, Inc., erhältlich ist, aber das Interferometer 200 verwendet
polarisationsbewahrende Retroreflektoren für den Referenzreflektor 230 und den
Messungsreflektor 240.
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Die
Lichtquelle 210 ist im Allgemeinen ein Laser oder eine
andere Quelle eines Eingangslichtstrahls IB, die die erwünschten
Eigenschaften des Interferometers 200 aufweist. Die Lichtquelle 210 kann z.
B. ein HeNe-Laser oder eine andere Quelle eines kohärenten monochromatischen
Strahls sein, der die erwünschte
Wellenlänge,
Intensität
und Polarisation für
den Eingangsstrahl IB aufweist. Bei einem Heterodyn-Interferometer
kann die Lichtquelle 210 ein Zeeman-Teilungslaser oder
eine gewisse andere Quelle sein, die einen Eingangsstrahl IB mit
zwei orthogonalen Polarisationskomponenten liefert, die etwas unterschiedliche
Wellenlängen
aufweisen.
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Der
PBS 220 teilt einen einfallenden Strahl von der Lichtquelle 210 gemäß einer
linearen Polarisation. Der PBS 220 richtet einen Referenzstrahl
RB, der eine erste lineare Polarisation aufweist, zu dem Referenzreflektor 230 und
richtet einen Messungsstrahl MB, der eine zweite lineare Polarisation
aufweist, zu dem Messungsreflektor 240 hin. 2A stellt
ein Beispiel dar, bei dem die Komponente, die in dem PBS 220 reflektiert
wird, den Referenzstrahl RB bildet, aber entweder der reflektierte
Strahl oder der durchgelassene Strahl könnten gleichermaßen gut für den Referenzstrahl
verwendet werden (oder den Messungsstrahl). Idealerweise ist die
lineare Polarisation des Referenzstrahls RB orthogonal zu der linearen
Polarisation des Messungsstrahls MB.
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Der
Referenzreflektor 230 und der Messungsreflektor 240 sind
vorzugsweise identische polarisationsbewahrende Retroreflektoren,
wie es beispielsweise oben mit Bezug auf 1A und 1B beschrieben
ist. Ein Vorteil eines Verwendens von Retroreflektoren ist eine
Reduzierung von Ausrichtungsfehlern, die den relativen Ausrichtungen
der Reflektoren 230 und 240 zugeordnet sind. Ferner
gibt der Referenzreflektor 230, der ein Retroreflektor
ist, den Referenzstrahl RB zu dem PBS 220 entlang einem
Weg zurück,
der parallel zu, aber versetzt von dem einfallenden Weg des Referenzstrahls
RB von dem PBS 220 ist. Der Messungsstrahl MB kehrt auf ähnliche
Weise zu dem PBS 220 von dem Messungsreflektor 240 entlang
einem Weg zurück,
der den gleichen Versatz von dem ausgehenden Weg von dem PBS 220 aufweist.
Folglich fallen der zurückkehrende
Referenz- und der Messungsstrahl bei dem gleichen Punkt an der Polarisationsbeschichtung
bei dem PBS 220 ein, so dass der PBS 220 den Messungs-
und den Referenzstrahl in einen Ausgangsstrahl OB rekombiniert.
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Messungselektronik 250 empfängt den
Ausgangsstrahl OB und kann den rekombinierten Messungs- und den
Referenzstrahl analysieren oder vergleichen, um die Bewegung des
Messungsreflektors 240 (oder des Referenzreflektors 230)
zu messen. Ein Analysetyp für
ein Homodyn-Interferometer misst Veränderungen bei der Phasendifferenz
zwischen dem Messungsstrahl und dem Referenzstrahl, z. B. unter
Verwendung einer Störung
bzw. Interferenz des Messungs- und des Referenzstrahls. Alternativ
gibt eine Messung der Dopplerverschiebung bei dem Messungsstrahl
die Geschwindigkeit des Messungsreflektors an. Die Dopplerverschiebung
kann bei einem Heterodyn-Interferometer als eine Veränderung bei
einer Schlagfrequenz gemessen werden, die aus einer Kombination
des Messungs- und des Referenzstrahls resultiert. Ein Lecken eines
Abschnitts des Referenzstrahls RB in den Messungsstrahl MB vor einer
Reflexion von dem Messungsreflektor 240 oder ein Lecken
eines Abschnitts des Messungsstrahls MB in den Referenzstrahl RB
bringt allgemein Frequenzkomponenten ein, die das erwünschte Schlagsignal
schwieriger zu messen machen. Die polarisationsbewahrenden Retroreflektoren 230 und 240 helfen,
ein Lecken zwischen dem Messungs- und dem Referenzstrahl zu vermeiden,
und können
deshalb die Fähigkeit
des Interferometers 200 verbessern, eine Bewegung des Messungsreflektors 240 genau zu
messen.
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Polarisationstransformierende
Retroreflektoren können
ebenfalls helfen, ein Lecken zwischen dem Messungsstrahl MB und
dem Referenzstrahl RB bei Interferometern zu vermeiden. 2B zeigt
ein Interferometer 200B, das das gleiche wie das Interferometer 200 von 2A ist,
außer
dass das Interferometer 200E polarisationstransformierende
Retroreflektoren 235 und 245 anstelle der polarisationsbewahrenden
Retroreflektoren 230 und 240 verwendet, die bei
dem Interferometer 200 verwendet werden. Die Wege des Messungsstrahls
MB und des Referenzstrahls RB bei dem Interferometer 200B sind
die gleichen, wie es oben für
das Interferometer 200 beschrieben ist, außer dass
die polarisations transformierenden Retroreflektoren 235 und 245 die
jeweiligen Polarisationen des Referenzstrahls RB und des Messungsstrahls
MB um 90° drehen.
Folglich durchläuft
der Referenzstrahl RB, der anfänglich
von der Polarisationsbeschichtung in dem PBS 220 reflektiert,
die Polarisationsbeschichtung nach Reflexionen von dem polarisationstransformierenden
Retroreflektor 235 und der Messungsstrahl MB, der anfänglich die
Polarisationsbeschichtung in dem PBS 220 durchläuft, reflektiert
von der Polarisationsbeschichtung nach Reflexionen von dem polarisationstransformierenden
Retroreflektor 245. Diese Veränderung bewegt den Ausgangsstrahl
OB zu einer unterschiedlichen Seite des PBS 220.
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Verglichen
mit dem Interferometer 200 liefert das Interferometer 200B mehr
Raum für
die Strukturen, die einem Richten des Eingangsstrahls IB in den PBS 220 und
einem Richten des Ausgangsstrahls OB zu der Messungselektronik 250 zugeordnet
sind. Folglich können
optische Komponenten, wie beispielsweise der PBS 220 und
die Retroreflektoren 235 und 245, kleiner gemacht
werden und ermöglichen
immer noch einen ausreichenden Raum für Strahleingangs- und -ausgangssysteme.
Zusätzlich reflektiert
bei dem Interferometer 200B die Polarisationsbeschichtung
in dem PBS 220 sowohl den Referenzstrahl RB als auch den
Messungsstrahl MB einmal und lässt
jeden Strahl einmal durch, wodurch gleiche Auslöschungsverhältnisse für beide Strahlen geliefert
werden. Die Polarisationssteuerung der polarisationstransformierenden
Retroreflektoren 235 und 245 reduziert zyklische
Fehler bei Messungen immer noch, verglichen mit Systemen, die herkömmliche
Retroreflektoren verwenden.
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3 stellt
ein Planspiegelinterferometer 300 gemäß einem Ausführungsbeispiel
der Erfindung dar. Das Interferometer 300 kann im Allgemeinen
einem kommerziellen Planspiegelinterferometer ähnlich sein, wie beispielsweise
dem Planspiegelinterferometer 10706A von Agilent Technologies, Inc., aber
das Interferometer 300 umfasst die polarisationsbewah renden
Retroreflektoren 230 und 350 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
Planspiegelinterferometer 300 unterscheidet sich von dem
Interferometer 200 von 2A dahingehend,
dass der Messungsreflektor 340 ein planarer Spiegel ist.
Der Messungsstrahl MB von dem PBS 220 bei dem Interferometer 300 ist
idealerweise normal zu der Oberfläche eines planaren Reflektors 340,
so dass der reflektierte Messungsstrahl von dem planaren Reflektor 340 auf
dem gleichen Weg wie der einfallende Messungsstrahl zurückkehrt.
(3 zeigt einen einfallenden und einen reflektierten
Strahl mit Trennungen, um die Strahlwege in dem Interferometer 300 besser
darzustellen, aber idealerweise sind der einfallende und der reflektierte
Strahl von dem planaren Reflektor 340 kollinear.)
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Eine
Viertelwellenplatte 320 und ein polarisationsbewahrender
Retroreflektor 350 sind dem Weg des Messungsstrahls MB
hinzugefügt,
um einen Versatz zu liefern, der den Messungsstrahl MB für ein Rekombinieren
mit dem Referenzstrahl RB ausrichtet, und um eine zweite Reflexion
des Messungsstrahls MB von dem Messungsreflektor 340 zu
liefern. Ein Paar von Durchläufen
des Messungsstrahls MB durch die Viertelwellenplatte 320,
einer vor und einer nach der ersten Reflexion von dem Messungsreflektor 340,
dreht die lineare Polarisation des Messungsstrahls MB wirksam um
90°, so
dass der PBS 220 den zurückkehrenden Messungsstrahl
MB zu einem polarisationsbewahrenden Retroreflektor 350 hin
reflektiert.
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Der
Retroreflektor 350 gibt den Messungsstrahl MB zu dem PBS 220 nach
einem Liefern eines Versatzes zurück, der mit dem Versatz übereinstimmt,
den der Referenzreflektor 230 zu dem Referenzstrahl RB
liefert. Von dem Retroreflektor 350 reflektiert der Messungsstrahl
MB von der Polarisationsbeschichtung in dem PBS 220, durchläuft die Viertelwellenplatte 320,
reflektiert von dem Messungsreflektor 340 und kehrt durch
die Viertelwellenplatte 320 zurück. Die zweite Reflexion von
dem Messungsreflektor 340 verdoppelt die Dopplerverschiebung
des Messungsstrahls MB wirksam, die resultiert, wenn sich der Messungsreflektor 340 bewegt,
und das endgültige
Paar von Durchläufen durch
die Viertelwellenplatte 320 dreht die lineare Polarisation
des Messungsstrahls MB wirksam um weitere 90°. Der Messungsstrahl MB durchläuft dann den
PBS 220 und rekombiniert mit dem Referenzstrahl RB, um
den Ausgangsstrahl OB zu bilden. Messungselektronik 250 kann
den Ausgangsstrahl OB unter Verwendung der oben beschriebenen Techniken
analysieren.
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Ein
Nachteil des Planspiegelinterferometers 300 besteht darin,
dass der optische Weg des Messungsstrahls MB in Glaselementen, wie
beispielsweise dem PBS 220, länger als der optische Weg des Referenzstrahls
MB in Glas ist. Folglich unterscheidet sich die Wirkung einer thermischen
Ausdehnung des PBS 220 und anderen Elementen an dem Messungsstrahl
MB von der Wirkung einer thermischen Ausdehnung des PBS 220 an
dem Referenzstrahl RB. Thermische Veränderungen können somit die Messungen bei
dem Planspiegelinterferometer 300 beeinflussen und deshalb
wird das Planspiegelinterferometer 300 allgemein als thermisch
unausgeglichen bzw. thermisch unsymmetrisch bezeichnet. Die Verwendung
der polarisationsbewahrenden Retroreflektoren 230 und 350 jedoch
reduziert zyklische Nichtlinearitäten, die andernfalls aus einem
Mischen des Messungs- und des Referenzstrahls resultieren könnten.
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4 zeigt
ein thermisch ausgeglichenes Planspiegelinterferometer 400 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Interferometer 400 kann allgemein einem
kommerziellen Planspiegelinterferometer ähnlich sein, wie beispielsweise
dem Hochstabilitäts-Planspiegelinterferometer
10706B von Agilent Technologies, Inc., aber das Interferometer 400 umfasst
einen polarisationsbewahrenden Retroreflektor 350 gemäß einem
Ausführungsbeispiel der
Erfindung.
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Das
Interferometer 400 unterscheidet sich von dem Interferometer 300 von 3 dahingehend, dass
der Referenzretroreflektor 230 des Interferometers 300 mit
der Kombination einer Viertelwellenplatte 420 und eines
planaren Reflektors 430 ersetzt ist. Die Ersetzung verändert den
Referenzweg, um den Referenzstrahl RB mit einer optischen Weglänge durch Glas
zu versehen, die mit der optischen Weglänge des Messungsstrahls MB
durch Glas übereinstimmt. Insbesondere
durchläuft
der Referenzstrahl RB, der in 4 der Abschnitt
des Eingangsstrahls IB ist, der anfänglich von der Polarisationsbeschichtung
in dem PBS 220 reflektiert, die Viertelwellenplatte 420,
reflektiert bei einem normalen Einfall von dem planaren Referenzreflektor 430 und
kehrt entlang dem gleichen Weg durch die Viertelwellenplatte 420 zurück. Die
zwei Durchläufe
durch die Viertelwellenplatte 420 drehen die lineare Polarisation
des Referenzstrahls RB um 90°,
so dass der Referenzstrahl RB dann den PBS 220 durchläuft und
in den polarisationsbewahrenden Retroreflektor 350 entlang
dem gleichen Weg eintritt, in dem der Messungsstrahl MB in den Retroreflektor 350 eintritt.
Der Retroreflektor 350 gibt einen versetzten Referenzstrahl
RB zurück,
der den PBS 220 und die Viertelwellenplatte 420 durchläuft, ein zweites
Mal von dem Referenzreflektor 430 reflektiert und durch
die Viertelwellenplatte 420 zu dem PBS 220 zurückkehrt.
Das zweite Paar von Durchläufen durch
die Viertelwellenplatte 420 dreht die lineare Polarisation
des Referenzstrahls RB um 90°,
so dass der Referenzstrahl RB dann von der Polarisationsbeschichtung
in dem PBS 220 reflektiert und mit dem Messungsstrahl MB
rekombiniert, der die Polarisationsbeschichtung in dem PBS 220 durchläuft.
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Das
Interferometer 400 bringt die optischen Weglängen in
Glas des Referenz- und des Messungsstrahls in Übereinstimmung, um die nachteiligen
Wirkungen zu reduzieren, die Temperaturveränderungen andernfalls auf eine
Messungsgenauigkeit haben könnten.
Der Messungs- und der Referenzstrahl überqueren jedoch im Wesentlichen
den gleichen Weg durch den Retroreflektor 350, was die
Fähigkeit
des PBS 220 eliminiert, ein Polarisationsmischen herauszufiltern,
das bei dem Retroreflektor 350 auftreten kann. Folglich
kann die Verwendung eines polarisationsbewahrenden Retroreflektors,
der ein Polarisationsmischen minimiert, eine erhebliche Reduzierung
bei zyklischen Nichtlinearitäten
bei den Messungen liefern.
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5 zeigt
ein Mehrachsen-Planspiegelinterferometer 500. Das Mehrachsen-Planspiegelinterferometer 500 ist
dem Planspiegelinterferometer 400 von 4 ähnlich,
aber weist zwei getrennte Eingangsstrahlen I1 und I2 auf, die unterschiedlichen Messungsachsen
entsprechen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel teilt ein nichtpolarisierendes Strahlteilelement 510 einen
Eingangsstrahl IB (z. B. von einer Lichtquelle 210, wie
es oben beschrieben ist) in zwei getrennte Strahlen I1 und I2, die
zu dem PBS 220 eingegeben werden. Der PBS 220 trennt
lineare Polarisationskomponenten der Eingangsstrahlen I1 und I2,
um zwei Messungsstrahlen M1 und M2 und zwei Referenzstrahlen R1
und R2 zu bilden. Der Messungsstrahl M1 und der Referenzstrahl R1
folgen den oben beschriebenen optischen Wegen, die einen gemeinschaftlich
verwendeten Weg durch den polarisationsbewahrenden Retroreflektor 350 umfassen,
und rekombinieren, um einen Ausgangsstrahl O1 zu bilden. Der Messungsstrahl
M2 und der Referenzstrahl R2 folgen Wegen, die durch einen zweiten polarisationsbewahrenden
Retroreflektor 550 verlaufen, bevor dieselben in einem
zweiten Ausgangsstrahl O2 rekombiniert werden.
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Die
Versätze,
die durch das Element 510 und die Retroreflektoren 350 und 550 geliefert
werden, steuern eine Trennung zwischen den Ausgangsstrahlen O1 und
O2. Die Ausgangsstrahlen O1 und O2 können somit getrennt analysiert
werden, um eine Bewegung entlang der Messungsachsen entsprechend
den Reflexionspunkten an dem Messungsreflektor 340 zu messen.
Auf eine ähnliche
Weise können
Strahlen für
drei oder mehr Messungsachsen durch einen gemeinschaftlich verwendeten
PBS 220 geführt
werden. Die Verwendung von polarisationsbewahrenden Retroreflektoren
für jede
Achse reduziert ein Polarisationsmischen und reduziert dadurch zyklische
Nichtlinearitäten
bei den Messungen.
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6 zeigt
ein Differenzplanspiegelinterferometer 600 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Interferometer 600 kann im Allgemeinen
einem kommerziellen Differenzplanspiegelinterferometer ähnlich sein,
wie beispielsweise dem Einachsen-Differenzinterferometer 10719A
von Agilent Technologies, Inc., aber das Interferometer 600 umfasst
einen polarisationsbewahrenden Retroreflektor 350 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
Interferometer 600 ist im Wesentlichen das gleiche wie
das Planspiegelinterferometer 400 von 4,
außer
dass der feste Referenzreflektor 430 mit einem bewegbaren
Reflektor 630 ersetzt ist und ein optionaler Drehspiegel 620 sich
zwischen dem PBS 220 und der Viertelwellenplatte 420 befindet.
Die optischen Wege in dem Interferometer 600 sind die gleichen,
wie dieselben, die hinsichtlich des Interferometers 400 oben
beschrieben sind, außer dass
der Referenzstrahl RB sich hinaus zu dem bewegbaren Reflektor 630 bewegt
und von demselben reflektiert, anstatt einen festen Weg aufzuweisen. Der
kombinierte Ausgangsstrahl OB von dem Interferometer 600 umfasst
somit eine Messungsstrahlkomponente, die eine Phase und eine Dopplerverschiebung
aufweist, die von der Position und der Geschwindigkeit des Messungsreflektors 340 abhängt, und
eine Referenzstrahlkomponente, die eine Phase und eine Dopplerverschiebung
aufweist, die von der Position und der Geschwindigkeit des Referenzreflektors 630 abhängt. Messungselektronik
kann somit die Messungs- und die Referenzstrahlkomponente vergleichen,
um eine Differenz zwischen der Position oder Bewegung der Reflektoren 340 und 630 zu
bestimmen.
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7 zeigt
ein Mehrachsen-Differenzplanspiegelinterferometer 700 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Interferometer 700 kann allgemein einem
kommerziellen Differenzplanspiegelinterferometer ähnlich sein,
wie beispielsweise dem Zweiachsen-Differenzinterferometer 10721A von
Agilent Technologies, Inc., aber das Interferometer 700 umfasst
die polarisationsbewahrenden Retroreflektoren 350 und 550 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Das
Interferometer 700 ist im Wesentlichen das gleiche wie
das Mehrachsen-Planspiegelinterferometer 500 von 5,
außer
der Ersetzung des festen Referenzreflektors 430 mit einem
bewegbaren Reflektor 630 und der Hinzufügung des optionalen Drehspiegels 620 zwischen
dem PBS 220 und der Viertelwellenplatte 420. Das
Interferometer 700 weist, wie das Interferometer 500,
eine erste Messungsachse auf, die Reflexionen von dem Messungsreflektor 340 entspricht,
aber die zwei Messungen sind zu entsprechenden Reflexionen von dem bewegbaren
Referenzreflektor 630 referenziert.
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8 zeigt
ein Differenzplanspiegelinterferometer 800 gemäß noch einem
anderen Ausführungsbeispiel
der Erfindung. Das Interferometer 800 kann im Allgemeinen
einem kommerziellen Differenzplanspiegelinterferometer ähnlich sein,
wie beispielsweise dem Differenzinterferometer 10715A von Agilent
Technologies, Inc., aber das Interferometer 800 umfasst
die polarisationsbewahrenden Retroreflektoren 230 und 350 und
einen polarisationstransformierenden Retroreflektor 860 gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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Der
PBS 220 teilt den Eingangsstrahl IB des Interferometers 800 gemäß einer
Polarisation in einen Messungsstrahl MB und einen Referenzstrahl RB.
Der optische Weg des Messungsstrahls MB, der anfänglich die Polarisationsbeschichtung
bei dem PBS 220 durchläuft,
durchläuft
die Viertelwellenplatte 320, reflektiert von dem Messungsreflektor 340 und kehrt
durch die Viertelwellenplatte 320 zu dem PBS 220 zurück. Ein
zweimaliges Durchlaufen der Viertelwellenplatte 320 dreht
die lineare Polarisation des Messungsstrahls MB um 90°, so dass
der Messungsstrahl MB dann von der Polari sationsbeschichtung in dem
PBS 220 reflektiert und in den polarisationsbewahrenden
Retroreflektor 350 eintritt, der den Messungsstrahl MB
reflektiert und versetzt. Der Messungsstrahl MB durchläuft dann
die Viertelwellenplatte 320, reflektiert ein zweites Mal
von dem Messungsreflektor 340 und kehrt durch die Viertelwellenplatte 320 zu
dem PBS 220 zurück.
Das zweite Paar von Durchläufen
durch die Viertelwellenplatte 320 dreht die lineare Polarisation
des Messungsstrahls MB um 90°,
so dass der Messungsstrahl MB den PBS 220 durchläuft und
in einen polarisationstransformierenden Retroreflektor 860 über eine
Reflexion von einem optionalen Drehspiegel 870 eintritt.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst
der polarisationstransformierende Retroreflektor 860 einen
unbeschichteten Würfeleckblock 110 und
polarisationsmanipulierende Elemente 160 und 170,
die die lineare Polarisation des Messungsstrahls MB (oder des Referenzstrahls
RB) wirksam um 90° drehen.
Dies kann erreicht werden, falls das Element 160 ein Faraday-Dreher
ist, der die linearen Polarisationskomponenten (z. B. um etwa 13,7°) zu den
Richtungen dreht, für
die eine Reflexion in dem Block 110 die linearen Polarisationen
bewahrt. Das Element 170 ist dann ein Faraday-Dreher und
dreht die ausgegebenen linearen Polarisationen um die Größe (z. B.
etwa 76,3°),
die benötigt
wird, um eine Nettodrehung von 90° der
linearen Polarisationen zu erreichen.
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Nach
der Polarisationsdrehung in dem Retroreflektor 860 tritt
der Messungsstrahl MB in den PBS 220 ein und reflektiert
von der Polarisationsbeschichtung in den polarisationsbewahrenden
Retroreflektor 230. Der polarisationsbewahrende Retroreflektor 230 reflektiert
den Messungsstrahl MB zurück zu
dem PBS 220, bei dem der Messungsstrahl von der Polarisationsbeschichtung
reflektiert und mit dem Referenzstrahl RB rekombiniert.
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Der
Weg des Referenzstrahls RB, der anfänglich von der Polarisationsbeschichtung
in den PBS 220 reflektiert, tritt in den polarisationsbewahrenden
Retroreflektor 230 ein, reflektiert zurück zu dem PBS 220 und
reflektiert von der Polarisationsbeschichtung in dem PBS 220 in
den polarisationstransformierenden Retroreflektor 860.
Auf ein Zurückkehren
von dem Retroreflektor 860 hin durchläuft der Referenzstrahl den
PBS 220 und die Viertelwellenplatte 320, reflektiert
von einem planaren Referenzreflektor 830 und kehrt durch
die Viertelwellenplatte 320 zu dem PBS 220 zurück. Der
Messungsstrahl RB reflektiert dann von der Polarisationsbeschichtung
in den polarisationsbewahrenden Retroreflektor 350, kehrt von
dem Retroreflektor 350 zu dem PBS 220 zurück, reflektiert
von der Polarisationsbeschichtung, durchläuft die Viertelwellenplatte 320,
reflektiert von dem Referenzreflektor 830 und kehrt durch
die Viertelwellenplatte 320 zu dem PBS 220 zurück. Der
Referenzstrahl RB durchläuft
dann die Polarisationsbeschichtung des PBS 220 und rekombiniert
mit dem Messungsstrahl MB, um den Ausgangsstrahl OB zu bilden.
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Das
Interferometer 800, wie dasselbe oben beschrieben ist,
weist drei Retroreflektoren 230, 350 und 860 auf,
die beide Komponentenstrahlen (d. h. der Messungsstrahl MB und der
Referenzstrahl RB) durchlaufen. Folglich können Messungen, die aus dem
Ausgangsstrahl OB abgeleitet sind, eine größere Genauigkeit erreichen,
da jeder der Retroreflektoren 230, 350 und 860 gemäß der vorliegenden
Erfindung ein Mischen der Messungs- und der Referenzstrahlpolarisation
minimiert.
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Eine
Anwendung von polarisationsgesteuerten Retroreflektoren ist nicht
auf eine Verwendung bei Interferometern begrenzt. 9 stellt
ein Messungssystem 900 gemäß einem Ausführungsbeispiel der
Erfindung dar, das zum Messen der Wellenlänge oder des Spektralgehalts
einer Lichtquelle 910 in der Lage ist. Das System 900 umfasst
einen Referenzlaser 920, einen Polarisationsstrahlteiler 930,
einen Nichtpola risationsstrahlteiler 940, polarisationsbewahrende
Retroreflektoren 960 und 965 und ein Detektorsystem 970.
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In
Betrieb erzeugt die Lichtquelle 910 einen Strahl, der eine
unbekannte Wellenlänge
oder einen unbekannten Spektralgehalt aufweist, und der Referenzlaser 920 erzeugt
einen Strahl, der eine bekannte Wellenlänge aufweist. Der Polarisationsstrahlteiler 930 ist
positioniert, um den Abschnitt des Strahls von der Lichtquelle 910,
der die lineare Polarisation aufweist, die in dem PBS 930 reflektiert
wird, mit dem Abschnitt des Strahls von dem Laser 920 zu
kombinieren, der die lineare Polarisation aufweist, die durch den
PBS 930 durchgelassen wird. Der kombinierte Strahl fällt an dem
Nichtpolarisationsstrahlteiler 940 ein, der einen ersten
Abschnitt (z. B. eine Hälfte)
des kombinierten Strahls zu dem polarisationsbewahrenden Retroreflektor 960 und
einen zweiten Abschnitt des kombinierten Strahls zu dem polarisationsbewahrenden
Retroreflektor 965 richtet. Die Strahlen, die von den Retroreflektoren 960 und 965 zurückgegeben
werden, fallen auch an dem Nichtpolarisationsstrahlteiler 940 ein
und beeinflussen einander gegenseitig, wenn dieselben zu Ausgangsstrahlen
O1 kombiniert werden.
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Das
Detektorsystem 970 misst die Intensitäten der Polarisationskomponenten
des Ausgangsstrahls O1 getrennt. Falls das Messungssystem 900 bewahrte
Polarisationen aufweist, weist eine Polarisationskomponente des
Ausgangsstrahls O1 die bekannte Wellenlänge auf, die bei dem Referenzlaser 920 erzeugt
wird. Der Retroreflektor 960 und/oder der Retroreflektor 965 können bewegt
werden, um die Differenz bei den optischen Weglängen der zwei Arme des Systems 900 zu
verändern.
Die Bewegung der Retroreflektoren 960 und/oder 965 bewirkt,
dass die Intensität
der Polarisationskomponente steigt und fällt, wenn die Weglängendifferenz
zwischen einem Bewirken einer konstruktiven oder einer destruktiven Störung der
Komponente, die die bekannte Wellenlänge aufweist, wechselt. Falls
die Lichtquelle 910 einen monochromatischen Strahl erzeugt,
steigt und fällt
die Intensität der
Polarisationskomponente, die der Lichtquelle 910 entspricht,
gleichermaßen,
wenn sich eine Differenz zwischen den Weglängen verändert, und das Verhältnis der
Anzahl von Maxima, die für
die unbekannte Wellenlänge
erfasst wird, zu der Anzahl von Maxima, die für die bekannte Wellenlänge erfasst
wird, identifiziert die unbekannte Wellenlänge. Falls die Lichtquelle 910 keinen
monochromatischen Strahl erzeugt, wird die Intensitätsmessung der
Polarisationskomponente, die der Lichtquelle 910 entspricht,
eine Überlagerung
von Störmustern
bzw. Interferenzmustern sein, und eine Analyse der gemessenen Intensität z. B.
unter Verwendung einer Fourier-Analyse oder anderer Techniken kann
den Spektralgehalt des Strahls von der Lichtquelle 910 bestimmen.
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Der
Ausgangsstrahl O2 kann auf ähnliche Weise
analysiert werden, um die Messungen zu bestätigen oder zu verbessern, die
aus der Analyse des Ausgangsstrahls O1 resultieren.
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Die
Genauigkeit von Messungen, die bei dem System 900 durchgeführt werden,
hängt allgemein
von der Fähigkeit
ab, Polarisationskomponenten zu unterscheiden und zu trennen, die
unterschiedlichen Lichtquellen 910 und 920 entsprechen. Gemäß einem
Aspekt der Erfindung reduzieren oder vermeiden die polarisationsbewahrenden
Retroreflektoren 960 und 965 ein Mischen der Polarisationskomponenten
und ermöglichen
deshalb genauere Messungen.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf spezifische Ausführungsbeispiele beschrieben
wurde, ist die Beschreibung lediglich ein Beispiel der Anwendung
der Erfindung und sollte nicht als eine Begrenzung aufgefasst werden.
Verschiedene Adaptionen und Kombinationen von Merkmalen der offenbarten Ausführungsbeispiele
liegen innerhalb des Schutzbereichs der Erfindung, wie derselbe
durch die folgenden Ansprüche
definiert ist.