DE102022120607A1

DE102022120607A1 - Optische Vorrichtung, System und Verfahren zur Dispersionsinterferometrie

Info

Publication number: DE102022120607A1
Application number: DE102022120607.6A
Authority: DE
Inventors: Oliver Kliebisch; Peter Mahnke; Raoul-Amadeus Lorbeer
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2022-08-16
Filing date: 2022-08-16
Publication date: 2024-02-22
Anticipated expiration: 2042-08-17
Also published as: DE102022120607B4; US20240060821A1; FR3138946A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung (100), ein System sowie ein Verfahren zur Dispersionsinterferometrie mit einer Frequenzverdopplungseinrichtung (12) und einer optische Modulationseinrichtung (16), einem Sendestrahlengang (50), welcher zum Aussenden eines ersten und zweiten Messstrahls (30, 32) auf ein optisches Element (46) ausgebildet ist und einem Empfangsstrahlengang (52), welcher zum Empfangen eines von dem optischen Element (46) zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls (36, 38) ausgebildet ist.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung, sowie ein System und ein Verfahren zur Dispersionsinterferometrie mit einer solchen optischen Vorrichtung.
Die Messung der Dispersion bzw. des Brechungsindex von Luft ist ein bekanntes Verfahren und kann zur Messung atmosphärischer Parameter wie Dichte, Druck, Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO₂-Gehalt verwendet werden. Üblicherweise werden die hierfür eingesetzten Refraktometer oder Interferometer in Laborumgebungen verwendet, wo die nötige mechanische Stabilität des Aufbaus gegeben ist.
In einer Variante der Dispersionsinterferometrie kann durch Nutzung von nicht-linearer Optik eine deutliche Reduktion der Anfälligkeit für mechanische Störungen wie beispielsweise Vibrationen, Mikrofonie erzielt werden. Diese Variante wird in der Plasmaforschung an Fusionsforschungsanlagen zur Messung von Elektronendichten eingesetzt und muss hierbei an Großforschungsanlagen zuverlässig in akustisch stark beeinflussten Umgebungen funktionieren.
Die DE 44 03 021 C2 beschreibt ein Luftrefraktometer hoher Genauigkeit mit einer Laserstrahlquelle zum Emittieren eines Laserstrahls, einem ersten nichtlinearen optischen Kristall zum Empfangen des Laserstrahls und zum Umwandeln eines Teils davon zu einer ersten zweit-harmonischen Welle, einem reflektierenden Bauteil zum Reflektieren des Laserbündels und der ersten zweit-harmonischen Welle, einem Transportmittel zum Transportieren des reflektierenden Bauteils, einem zweiten nichtlinearen optischen Kristall zum Empfangen des Laserbündels und der ersten zweit-harmonischen Welle, die durch das reflektierende Bauteil reflektiert wurden, und zum Umwandeln eines weiteren Teils des Laserstrahls zu einer zweiten zweit-harmonischen Welle und zum Erzeugen von Interferenzstreifen durch Interferenz zwischen der ersten zweit-harmonischen Welle und der zweiten zweit-harmonischen Welle, und einem Mittel zum Zählen der an einem Detektor erzeugten Interferenzstreifen zum Dividieren der Anzahl von gezählten Interferenzstreifen durch einen Abstand, um den das reflektierende Bauteil bewegbar ist, und zum Multiplizieren des Ergebnisses mit einem Koeffizienten.
Die DE 697 35 148 T2 beschreibt eine optische Korrekturvorrichtung, bei der das Signal-Rausch-Verhältnis eines Korrektursignals, das zur Zweite-Harmonische-Interferometrie verwendet wird, auf zwei Weisen verbessert wird. Erstens wird ein optischer Verstärker, der auf die Frequenz der zweiten Harmonischen abgestimmt ist, in dem optischen Weg positioniert. Zweitens wird eine Verdopplungsstufe innerhalb des Korrekturlasers positioniert. Ein frequenzverdoppelter Intracavity-Laser emittiert einen ersten optischen Strahl mit einer Grundfrequenz und einen zweiten optischen Strahl bei der zweiten Harmonischen der Grundfrequenz.
Der frequenzverdoppelte Laser ist benachbart zu einem Phasenmodulator positioniert. Ein erster Strahlteiler ist nahe dem Phasenmodulator positioniert.
Ein zweiter Strahlteiler ist zwischen einem Referenzlaser, einer Viertelwellenplatte und einer Fläche des ersten Strahlteilers positioniert. Ein Stufe-Spiegel ist nahe bei der Viertelwellenplatte positioniert. Das System ist entworfen, um die Stufe-Spiegel-Position zu messen. Ein externer Verdopplungskristall ist nahe einer gegenüberliegenden Fläche des ersten Strahlteilers positioniert. Ein optischer Verstärker, der auf die Frequenz der zweiten Harmonischen abgestimmt ist, ist zwischen der externen Verdopplungsstufe und einem Filter, wie z. B. einem dichroitischen Strahlteiler, positioniert. Das Filter verhindert die Übertragung des ersten optischen Strahls, der die Grundfrequenz enthält. Ein quadratischer Photodetektor ist nahe dem Filter positioniert.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte optische Vorrichtung mit einer geringen Störanfälligkeit zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein System zur Dispersionsinterferometrie mit einer verbesserten optischen Vorrichtung mit einer geringen Störanfälligkeit zu schaffen.
Eine weitere Aufgabe ist es, ein Verfahren zur Dispersionsinterferometrie, mit einer solchen verbesserten optischen Vorrichtung zu schaffen.
Die Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
Nach einem Aspekt der Erfindung wird eine optische Vorrichtung vorgeschlagen, wenigstens umfassend eine Laserstrahlquelle zum Emittieren eines ersten Laserstrahls mit einer Grundfrequenz der Laserstrahlquelle; eine Frequenzverdopplungseinrichtung und eine optische Modulationseinrichtung zum Erzeugen eines zweiten Laserstrahls bei einer Frequenz einer zweiten Harmonischen der Grundfrequenz, sowie eines ersten gebeugten Laserstrahls, welcher eine Intensität der ersten Beugungsordnung einer modulierten Grundfrequenz aufweist, und eines zweiten gebeugten Laserstrahls, welcher eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen aufweist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Referenzstrahlengang, welcher zur Abbildung eines ersten und zweiten Referenzstrahls auf eine Empfangseinheit ausgebildet ist; einen Sendestrahlengang, welcher zum Aussenden eines ersten und zweiten Messstrahls auf ein optisches Element ausgebildet ist.
Weiterhin umfasst die Vorrichtung einen Empfangsstrahlengang, welcher zum Empfangen eines von dem optischen Element zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls ausgebildet ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung eine Überlagerungseinheit, welche zum Überlagern des zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls mit dem ersten und zweiten Referenzstrahl und zum Abbilden der überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen und ersten und zweiten Referenzstrahlen auf die Empfangseinheit ausgebildet ist.
Die Empfangseinheit ist zum Empfangen der überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen und ersten und zweiten Referenzstrahlen und zum Umwandeln in ein elektrisches Empfangssignal ausgebildet ist.
Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Auswerteeinheit, welche zumindest zum Auswerten des elektrischen Empfangssignals ausgebildet ist.
Die vorgeschlagene optische Vorrichtung kann vorteilhaft dazu dienen, die Dichte eines Gasgemischs, welches durch den ersten und zweiten Messstrahl im Sendestrahlengang und Empfangsstrahlengang durchlaufen wird, mit hoher Genauigkeit und Bandbreite optisch zu bestimmen und damit auf den Druck des Gasgemischs zurückzuschließen. Die optische Vorrichtung weist vorteilhaft eine geringe Störanfälligkeit gegenüber den Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Vibrationen auf. Zudem ist die optische Vorrichtung kompakt im Aufbau und kommt mit einer geringen Anzahl an Komponenten aus.
Die Auswerteeinheit ist zum Empfangen und Digitalisieren des elektrischen Empfangssignals ausgebildet.
Bei der vorgeschlagenen optischen Vorrichtung wird zur Erzeugung der gebeugten Laserstrahlen eine Modulationseinrichtung, beispielsweise ein akustooptischer Frequenzschieber, derart verwendet, dass unter Anlegen eines Signals mit einer Modulationsfrequenz die erste Beugungsordnung für die Grundfrequenz der Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines ersten gebeugten Laserstrahls genutzt wird und die zweite Beugungsordnung für die zweite Harmonische zum Erzeugen eines zweiten gebeugten Laserstrahls.
Bedingt durch die Beugungsgleichung weisen diese beiden Strahlen denselben Beugungswinkel auf und sind somit intrinsisch kollinear. Hierdurch kann vorteilhaft sowohl die Stabilität des Systems erhöht, als auch die Anzahl der Komponenten reduziert werden.
Vorteilhaft ist das optische Element die Messsignale reflektieren oder streuen.
Vorteilhaft können die gebeugten Laserstrahlen als Referenzstrahlen genutzt werden und die nicht gebeugten Laserstrahlen als Messstrahlen. Alternativ ist jedoch auch möglich, die nicht gebeugten Laserstrahlen als Referenzstrahlen einzusetzen und die gebeugten Laserstrahlen als Messstrahlen.
Die im Referenzstrahl enthaltenen ersten und zweiten Teilstrahlen weisen jeweils eine um einen Faktor zwei unterschiedliche Frequenzverschiebung auf. Bei Interferenz mit den zurückgeleiteten Messstrahlen als Messsignal kommt es somit zur Ausbildung von Schwebungssignalen bei eben diesen Frequenzverschiebungen.
Die Messsignale sind somit intrinsisch auf zwei verschiedenen Frequenzbändern aufgeteilt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglicht dies eine Detektion mittels eines einzigen Detektors ohne eine Signalvermischung zu erhalten. Hierdurch kann wiederum die Anzahl der erforderlichen Komponenten reduziert werden.
Die Bestimmung der Dispersionsphasen und der relativen Dispersion erfolgt rein numerisch und/oder digital direkt aus dem Photodiodensignal der Empfangseinheit in einer Auswerteeinheit, welche einen Analog-Digital-Wandler und einen Mischer umfassen kann, um die empfangenen Signale auf niedrige Frequenzen herunterzumischen. Gegenüber dem Stand der Technik kann somit auf eine zweite nichtlineare optische Frequenzkonversionsstufe, aber auch eine elektrische Frequenzkonversionsstufe verzichtet werden. Hierdurch wird sowohl die Stabilität des Systems erhöht, als auch die Anzahl der Komponenten reduziert. Zudem erreicht das System bereits bei geringen Mengen an Messlicht eine signifikante Messgenauigkeit.
Mehrfache, nicht-gemeinsame optische Pfadanteile für die einzelnen Messfrequenzen, die den Vorteil der mechanischen Robustheit teilweise wieder zunichtemachen, können vermieden werden.
Die optische Vorrichtung weist auch nur eine Empfangseinheit, beispielsweise eine Photodiode, auf, um die jeweiligen modulierten Signale separat zu detektieren, und kommt so günstigerweise mit weniger Bauteilen aus.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann der der erste und zweite Messstrahl als erster und zweiter Laserstrahl und der erste und zweite Referenzstrahl als erster und zweiter gebeugter Laserstrahl ausgebildet sein. Alternativ kann auch der erste und zweite Messstrahl als erster und zweiter gebeugter Laserstrahl und der erste und zweite Referenzstrahl als erster und zweiter Laserstrahl ausgebildet sein.
Vorteilhaft werden die beiden Beugungsordnungen durch den Zusammenhang von Grundfrequenz und zweiter Harmonischer mit demselben Beugungswinkel abgebildet, sodass die beiden gebeugten Laserstrahlen kollinear verlaufen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann die Frequenzverdopplungseinrichtung im Sendestrahlengang vor der optischen Modulationseinrichtung angeordnet sein. Auf diese Weise wird erst der zweite Laserstrahl mit der zweiten Harmonischen der Grundfrequenz erzeugt, bevor dann mittels der Modulationseinrichtung aus den beiden optischen Strahlen die beiden gebeugten Laserstrahlen erzeugt werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann die Frequenzverdopplungseinrichtung im Sendestrahlengang nach der optischen Modulationseinrichtung angeordnet sein.
Bei dieser alternativen Ausführungsform wird erst mittels der Modulationseinrichtung der erste gebeugte Laserstrahl aus dem ersten Laserstrahl mit der Grundfrequenz erzeugt, bevor dann aus dem ersten Laserstrahl durch Frequenzverdopplung der zweite Laserstrahl der zweiten Harmonischen erzeugt wird und aus dem ersten gebeugten Laserstrahl der zweite gebeugte Laserstrahl. Aus Anordnungsgründen können zwei getrennte Frequenzverdopplungseinrichtungen für den ersten und zweiten Laserstrahl sowie für die beiden gebeugten Laserstrahlen erforderlich sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann die Frequenzverdopplungseinrichtung wenigstens einen Keil aufweisen, mittels welchem ein Versatzwinkel zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl durch wenigstens einen Keil kompensiert werden kann. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die optischen Strahlen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen kollinear durch den Aufbau der optischen Vorrichtung laufen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann der erste und zweite gebeugte Laserstrahl kollinear unter einem Winkel größer 0 mrad gegen den ersten und zweiten Laserstrahl ausgesendet sein. Insbesondere kann dabei der Winkel höchstens 50 mrad, bevorzugt höchstens 10 mrad, betragen. Vorteilhaft können die beiden gebeugten Laserstrahlen unter einem möglichst kleinen Winkel gegen den ersten und zweiten Laserstrahl ausgesendet werden, um eine kompakte Anordnung der optischen Vorrichtung zu erreichen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann die Überlagerungseinheit als Strahlteiler ausgebildet sein, wobei der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl die Überlagerungseinheit passiert und der erste und zweite Referenzstrahl durch die Überlagerungseinheit reflektiert wird. Alternativ kann der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl durch die Überlagerungseinheit reflektiert werden und der erste und zweite Messstrahl und der erste und zweite Referenzstrahl die Überlagerungseinheit passieren.
Der Strahlteiler kann beispielsweise als halbdurchlässiger Spiegel realisiert sein, sodass der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl den Strahlteiler von einer Rückseite des Spiegels kommend ungehindert passieren kann, während der erste und zweite Referenzstrahl von der anderen Seite kommend in der Weise abgelenkt wird, dass sowohl zurückgeleiteter erster und zweiter Messstrahl und erster und zweiter Referenzstrahl überlagert werden.
Alternativ dazu kann der erste und zweite Messstrahl und der erste und zweite Referenzstrahl den Strahlteiler von der Rückseite des Spiegels kommend passieren, während der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl von der anderen Seite kommend in der Weise abgelenkt wird, dass sowohl zurückgeleiteter erster und zweiter Messstrahl und erster und zweiter Referenzstrahl überlagert werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann ein Normalenvektor der Strahlteileroberfläche auf einer Winkelhalbierenden zwischen den Referenzstrahlen und den zurückgeleiteten Messstrahl liegen. So kann der erste und zweite Referenzstrahl den Strahlteiler von der Rückseite des Spiegels kommend ungehindert passieren, während der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl von der anderen Seite kommend in der Weise durch den Strahlteiler reflektiert wird, dass zurückgeleiteter erster und zweiter Messstrahl und erster und zweiter Referenzstrahl überlagert werden. Vorteilhaft kann auf diese Weise das empfangene Licht auf den Referenzstrahl reflektiert und zur Interferenz gebracht werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann im Referenzstrahlgang und/oder im Sendestrahlengang und/oder im Empfangsstrahlengang ein optisches System zur Strahlanpassung angeordnet sein. Das optische System kann vorteilhaft dazu dienen, die Strahlpropagation, welche in Referenzstrahlengang und Sende- bzw. Empfangsstrahlengang unterschiedlich verläuft, anzugleichen, so dass die Interferenz der Strahlen maximiert wird. Das optische System kann beispielsweise ein Linsensystem sein. Alternativ kann das optische System auch Spiegel und/oder holographische Elemente umfassen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann im Sendestrahlengang und/oder im Empfangsstrahlengang eine Strahlablenkungseinheit angeordnet sein, welche den Sendestrahlengang und/oder den Empfangsstrahlengang in mindestens einen ersten Strahlweg und einen zweiten Strahlweg aufspaltet.
Insbesondere kann dabei mittels der Strahlablenkungseinheit als Sendestrahlengang und/oder als Empfangsstrahlengang der erste Strahlweg oder der zweite Strahlweg auswählbar sein.
Vorteilhaft kann so durch Strahlversatz oder durch Stahlablenkung, beispielsweise durch einen Scanner, der Messstrahl anders durch ein Messvolumen geführt werden, sodass ein geeignetes optisches Element in Form eines Reflektors oder Streuers getroffen wird. Durch die Variation der Messstrecke können freie Parameter in der Auswertung der gemessenen Phasen gegen den Druck bzw. die Gaskonzentration kalibriert werden, ohne dass auf ergänzende Messsysteme zurückgegriffen werden muss.
Typische Methoden, um den optischen Strahl zu manipulieren, sind beispielsweise polarisierende Strahlteiler und ein polarisationsdrehendes Element wie beispielsweise eine rotierbare Lambda/2-Platte, sowie drehbare Prismen oder Spiegel, Flüssigkristalle und dergleichen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung der optischen Vorrichtung kann im Referenzstrahlengang und/oder im Sendestrahlengang und/oder im Empfangsstrahlengang wenigstens ein Spiegel zur Umlenkung des ersten und zweiten Referenzstrahls und/oder des ersten und zweiten Messstrahls und/oder des zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls angeordnet sein. Dadurch kann der Aufbau der optischen Vorrichtung noch kompakter gestaltet werden.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein System zur Dispersionsinterferometrie vorgeschlagen, welches wenigstens eine solche optische Vorrichtung wie oben beschrieben umfasst.
Das vorgeschlagene System zur Dispersionsinterferometrie mit einer solchen optischen Vorrichtung kann vorteilhaft dazu dienen, die Dichte eines Gasgemischs, welches durch den ersten und zweiten Messstrahl im Sendestrahlengang und Empfangsstrahlengang durchlaufen wird, mit hoher Genauigkeit und Bandbreite optisch zu bestimmen und damit auf den Druck des Gasgemischs zurückzuschließen. Das System weist vorteilhaft eine geringe Störanfälligkeit gegenüber den Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Vibrationen auf. Zudem ist die optische Vorrichtung kompakt im Aufbau und kommt mit einer geringen Anzahl an Komponenten aus, sodass das gesamte System kostengünstig und bauraumoptimal gestaltet werden kann.
Die Bestimmung der Dispersionsphasen und der relativen Dispersion erfolgt rein numerisch und/oder digital direkt aus dem Photodiodensignal der Empfangseinheit in einer Auswerteeinheit, welche einen Analog-Digital-Wandler und einen Mischer umfassen kann, um die empfangenen Signale auf niedrige Frequenzen herunterzumischen. Gegenüber dem Stand der Technik kann somit auf eine zweite nichtlineare optische Frequenzkonversionsstufe, aber auch eine elektrische Frequenzkonversionsstufe verzichtet werden. Hierdurch wird sowohl die Stabilität des Systems erhöht, als auch die Anzahl der Komponenten reduziert. Zudem erreicht das System bereits bei geringen Mengen an Messlicht eine signifikante Messgenauigkeit.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung vorgeschlagen, wobei das Verfahren wenigstens umfasst: Emittieren eines ersten Laserstrahls mittels einer Laserstrahlquelle mit einer Grundfrequenz der Laserstrahlquelle; Erzeugen eines zweiten Laserstrahls bei einer Frequenz einer zweiten Harmonischen der Grundfrequenz, sowie eines ersten gebeugten Laserstrahls, welcher eine Intensität der ersten Beugungsordnung einer modulierten Grundfrequenz aufweist, und eines zweiten gebeugten Laserstrahls, welcher eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen aufweist, mittels einer Frequenzverdopplungseinrichtung und einer optischen Modulationseinrichtung; Abbilden eines ersten und zweiten Referenzstrahls in einem Referenzstrahlengang auf eine Empfangseinheit; Aussenden eines ersten und zweiten Messstrahls in einem Sendestrahlengang auf ein optisches Element; Empfangen eines von dem optischen Element zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls in einem Empfangsstrahlengang;
Überlagern des zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls mit dem ersten und zweiten Referenzstrahl durch eine Überlagerungseinheit und Abbilden auf die Empfangseinheit; Empfangen der überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen und ersten und zweiten Referenzstrahlen durch die Empfangseinheit und Umwandeln in ein elektrisches Empfangssignal; Auswerten des elektrischen Empfangssignals durch eine Auswerteeinheit.
Das vorgeschlagene Verfahren zur Dispersionsinterferometrie kann vorteilhaft dazu dienen, mit einer optischen Vorrichtung die Dichte eines Gasgemischs, welches durch den ersten und zweiten Messstrahl im Sendestrahlengang und Empfangsstrahlengang durchlaufen wird, mit hoher Genauigkeit und Bandbreite optisch zu bestimmen und damit auf den Druck des Gasgemischs zurückzuschließen. Das Verfahren weist vorteilhaft eine geringe Störanfälligkeit gegenüber den Umgebungsbedingungen wie beispielsweise Vibrationen auf.
Vorteilhaft kann die Auswerteinheit das elektrische Empfangssignal auch Empfangen und Digitalisieren.
Vorteilhaft kann das optische Element die Messsignale reflektieren oder streuen.
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ein gebeugter Laserstrahl mittels einer Modulationseinrichtung, beispielsweise einem akustooptischen Frequenzschieber, erzeugt, indem unter Anlegen eines Signals mit einer Modulationsfrequenz die erste Beugungsordnung für die Grundfrequenz der Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines ersten gebeugten Laserstrahls genutzt wird und die zweite Beugungsordnung für die zweite Harmonische zum Erzeugen eines zweiten gebeugten Laserstrahls.
Bedingt durch die Beugungsgleichung weisen diese beiden Strahlen denselben Beugungswinkel auf und sind somit intrinsisch kollinear.
Vorteilhaft können die gebeugten Laserstrahlen als Referenzstrahlen genutzt werden und die nicht gebeugten Laserstrahlen als Messstrahlen. Alternativ ist jedoch auch möglich, die nicht gebeugten Laserstrahlen als Referenzstrahlen einzusetzen und die gebeugten Laserstrahlen als Messstrahlen.
Die im Referenzstrahl enthaltenen Teilstrahlen weisen jeweils eine um einen Faktor zwei unterschiedliche Frequenzverschiebung auf. Bei Interferenz mit dem zurückgeleiteten Messstrahl als Messsignal kommt es somit zur Ausbildung von Schwebungssignalen bei eben dieser Frequenzverschiebung. Die Messsignale sind somit intrinsisch auf zwei verschiedenen Frequenzbändern aufgeteilt. Im Gegensatz zum Stand der Technik ermöglicht dies eine Detektion mittels eines einzigen Detektors ohne eine Signalvermischung zu erhalten.
Die Bestimmung der Dispersionsphasen und der relativen Dispersion erfolgt rein numerisch und/oder digital direkt aus dem Photodiodensignal der Empfangseinheit. Gegenüber dem Stand der Technik kann somit auf eine zweite nichtlineare optische Frequenzkonversionsstufe, aber auch eine elektrische Frequenzkonversionsstufe verzichtet werden. Zudem erreicht das Verfahren bereits bei geringen Mengen an Messlicht eine signifikante Messgenauigkeit.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann als erster und zweiter Messstrahl der erste und zweite Laserstrahl und als erster und zweiter Referenzstrahl der erste und zweite gebeugte Laserstrahl verwendet werden. Alternativ kann auch als erster und zweite Messstrahl der erste und zweite gebeugte Laserstrahl und als erster und zweiter Referenzstrahl der erste und zweite Laserstrahl verwendet werden. So kann ein gebeugter Laserstrahl mittels der Modulationseinrichtung erzeugt werden, indem unter Anlegen eines Signals mit einer Modulationsfrequenz die erste Beugungsordnung für die Grundfrequenz der Laserstrahlquelle zum Erzeugen eines ersten gebeugten Laserstrahls genutzt wird und die zweite Beugungsordnung für die zweite Harmonische zum Erzeugen eines zweiten gebeugten Laserstrahls.
Vorteilhaft werden die beiden Beugungsordnungen durch den Zusammenhang von Grundfrequenz und zweiter Harmonischer mit demselben Beugungswinkel abgebildet, sodass die beiden Referenzstrahlen kollinear verlaufen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der zweite Laserstrahl durch die Frequenzverdopplungseinrichtung erzeugt werden und der erste und zweite gebeugte Laserstrahl aus dem ersten und zweiten Laserstrahl durch Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz in der optischen Modulationseinrichtung erzeugt werden. So kann die Frequenzverdopplungseinrichtung zweckmäßigerweise im Sendestrahlengang vor der optischen Modulationseinrichtung angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der erste gebeugte Laserstrahl durch Frequenzmodulation mit der Modulationsfrequenz in der optischen Modulationseinrichtung erzeugt werden und der zweite Laserstrahl und der zweite gebeugte Laserstrahl durch die Frequenzverdopplungseinrichtung erzeugt werden. So kann die Frequenzverdopplungseinrichtung zweckmäßigerweise im Sendestrahlengang nach der optischen Modulationseinrichtung angeordnet sein.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann ein Versatzwinkel zwischen dem ersten Laserstrahl und dem zweiten Laserstrahl durch wenigstens einen Keil kompensiert werden. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass die optischen Strahlen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen kollinear durch den Aufbau der optischen Vorrichtung laufen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der erste und zweite gebeugte Laserstrahl kollinear unter einem Winkel gegen den ersten und zweiten Laserstrahl ausgesendet werden. Insbesondere kann dabei der Winkel höchstens 50 mrad, bevorzugt höchstens 10 mrad, betragen. Vorteilhaft können die beiden gebeugten Laserstrahlen unter einem möglichst kleinen Winkel gegen den ersten und zweiten Laserstrahl ausgesendet werden, um eine kompakte Anordnung der optischen Vorrichtung zu erreichen.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann der zurückgeleitete erste Messstrahl mit dem ersten Referenzstrahl und der zurückgeleitete zweite Messstrahl mit dem zweiten Referenzstrahl durch die Überlagerungseinheit überlagert werden. Die im Referenzstrahl enthaltenen Teilstrahlen weisen jeweils eine um einen Faktor zwei unterschiedliche Frequenzverschiebung auf. Bei Interferenz mit dem zurückgeleiteten Messstrahl als Messsignal kommt es somit zur Ausbildung von Schwebungssignalen bei eben dieser Frequenzverschiebung.
Die Messsignale sind somit intrinsisch auf zwei verschiedenen Frequenzbändern aufgeteilt. Phasendifferenzen der überlagerten optischen Strahlen können so vorteilhaft ausgewertet und zur Bestimmung der relativen Dispersion herangezogen werden.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann das elektrische Empfangssignal in der Auswerteeinheit demoduliert und/oder gefiltert werden. Insbesondere kann dabei das elektrische Empfangssignal in der Auswerteeinheit mittels Quadraturdemodulation demoduliert und mit einem Tiefpass gefiltert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das elektrische Empfangssignal vor der Quadraturdemodulation in der Auswerteeinheit durch ein Zweitonsignal mit einer Ablage zur Grundfrequenz, insbesondere mit der Modulationsfrequenz, gemischt werden. Auf diese Weise können vorteilhaft hohe Modulationsfrequenzen in der optischen Modulationseinrichtung und niedrige Abtastraten in der Auswerteeinheit verwendet werden.
Mittels digitaler Signalverarbeitung können auf diese Weise die beiden bandbegrenzten Empfangssignale quadraturdemoduliert und tiefpassgefiltert werden. Durch numerische Differenzbildung kann die relative Dispersion zwischen der Fundamentalwellenlänge und der zweiten Harmonischen bestimmt werden. Die relative Dispersion ist direkt abhängig von den Umgebungsparametern (Druck, Temperatur, Luftfeuchte, CO₂-Gehalt) und ermöglicht so eine Messung dieser Parameter. Die rein digitale Verarbeitung vereinfacht den Messaufbau erheblich.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens können Phasendifferenzen zwischen dem ersten Referenzstrahl und dem zurückgeleiteten ersten Messstrahl sowie dem zweiten Referenzstrahl und dem zurückgeleiteten zweiten Messstrahl in der Empfangseinheit in separierbaren Frequenzbändern getrennt für die Grundfrequenz und die zweite Harmonische bestimmt werden. Vorteilhaft kann so eine Detektion mit nur einer Empfangseinheit durchgeführt werden, ohne eine Signalvermischung zu erreichen. Das Verfahren ermöglicht so eine günstige Reduzierung an erforderlichen Komponenten der optischen Vorrichtung.
Nach einer günstigen Ausgestaltung des Verfahrens kann eine relative Dispersion zwischen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen durch, insbesondere numerische, Differenzbildung der Phasendifferenzen bestimmt werden. Die Bestimmung der Dispersionsphasen und der relativen Dispersion, also der Brechungsindexdifferenz zwischen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen, erfolgt günstigerweise rein numerisch und/oder digital direkt aus dem Photodiodensignal der Empfangseinheit.
Gegenüber dem Stand der Technik kann somit auf eine zweite nichtlineare optische Frequenzkonversionsstufe, aber auch eine elektrische Frequenzkonversionsstufe verzichtet werden. Zudem erreicht das Verfahren bereits bei geringen Mengen an Messlicht eine signifikante Messgenauigkeit.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Figuren, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen beispielhaft:

1 ein System zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung;
2 ein System zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem zusätzlichen optischen System in einer schematischen Darstellung;
3 ein System zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vertauschter Frequenzverdopplungseinrichtung und Modulationseinrichtung in einer schematischen Darstellung;
4 ein System zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die zurückgeleiteten Messstrahlen abgelenkt werden, in einer schematischen Darstellung; und
5 eine Aufspaltung von Sendestrahlengang und/oder Empfangsstrahlengang auf verschiedene Strahlwege nach einem weiteren Ausführungsbeispiel.

Ausführungsformen der Erfindung
In den Figuren sind gleichartige oder gleichwirkende Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
Im Folgenden verwendete Richtungsterminologie mit Begriffen wie „links“, „rechts“, „oben“, „unten“, „davor“ „dahinter“, „danach“ und dergleichen dient lediglich dem besseren Verständnis der Figuren und soll in keinem Fall eine Beschränkung der Allgemeinheit darstellen. Die dargestellten Komponenten und Elemente, deren Auslegung und Verwendung können im Sinne der Überlegungen eines Fachmanns variieren und an die jeweiligen Anwendungen angepasst werden.
1 zeigt ein System 200 zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung 100 nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung in einer schematischen Darstellung.
Die optische Vorrichtung 100 weist eine Laserstrahlquelle 10 zum Emittieren eines ersten Laserstrahls 31 mit einer Grundfrequenz der Laserstrahlquelle 10 auf sowie eine Frequenzverdopplungseinrichtung 12 und eine optische Modulationseinrichtung 16, welche von einem Oszillator 14 mit einer Modulationsfrequenz angesteuert wird. Die Frequenzverdopplungseinrichtung 12 ist im Sendestrahlengang 50 vor der optischen Modulationseinrichtung 16 angeordnet.
Ein zweiter Laserstrahl 33 wird durch die Frequenzverdopplungseinrichtung 12 erzeugt. Ein erster und zweiter gebeugter Laserstrahl 34, 35 werden aus dem ersten und zweiten Laserstrahl 31, 33 durch Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz in der optischen Modulationseinrichtung 16 erzeugt.
Der erste gebeugte Laserstrahl 34 weist eine Intensität der ersten Beugungsordnung der modulierten Grundfrequenz auf, während der zweite gebeugte Laserstrahl 35 eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen aufweist.
Aus dem ersten Laserstrahl 31 wird in der Frequenzverdopplungseinrichtung 12 der zweite Laserstrahl 33 bei einer Frequenz einer zweiten Harmonischen der Grundfrequenz erzeugt. Der erste Laserstrahl 31 der Laserstrahlquelle 10, beispielsweise eines Dauerstrichlasers, wird so in der Frequenzverdopplungseinrichtung 12, beispielsweise einem nichtlinear optischen Kristall, in seiner Frequenz verdoppelt. Bis auf einen geringen Versatzwinkel, der optional mit wenigstens einem Keil kompensiert werden kann, laufen die optischen Strahlen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen kollinear durch den Sendestrahlengang 50 der optischen Vorrichtung 100.
Beide Laserstrahlen 31, 33 durchlaufen die optische Modulationseinrichtung 16, in welcher daraus durch Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz der erste gebeugte Laserstrahl 34 und der zweite gebeugte Laserstrahl 35 erzeugt wird. Ein akustooptischer Modulator oder Frequenzschieber 16 beugt durch Anlegen eines Hochfrequenzsignals des Oszillators 14 an den im Frequenzschieber 16 enthaltenen Bragg-Kristall einen Teil des Lichts als gebeugter Laserstrahl 34, 35 in einem kleinen Winkel weg vom ersten und zweiten Laserstrahl 31, 33. Der erste gebeugte Laserstrahl 34 weist eine Intensität der ersten Beugungsordnung der Grundfrequenz auf und der zweite gebeugte Laserstrahl 35 weist eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen auf.
Der Bragg-Kristall kann vorteilhaft so gedreht werden, dass die erste Beugungsordnung für die Grundfrequenz und die zweite Beugungsordnung für die zweite Harmonische die Beugungsbedingung oder Bragg-Bedingung erfüllen. Die so gebeugten Strahlen sind im Gegensatz zum Stand der Technik weiterhin kollinear.
Der erste und zweite gebeugte Laserstrahl 34, 35 werden kollinear unter einem Winkel 28 größer 0 mrad gegen den ersten und zweiten Laserstrahl 31, 33 ausgesendet. Insbesondere kann dabei der Winkel 28 höchstens 50 mrad, bevorzugt höchstens 10 mrad, betragen.
Der erste und zweite Laserstrahl 31, 33 wird als Messstrahl 30, 32 in einem Sendestrahlengang 50 auf ein optisches Element 46 ausgesendet. Das optisches Element 46 kann den ersten und zweiten Messstrahl 30, 32 reflektieren und/oder streuen. Ein von dem optischen Element 46 zurückgeleiteter erster und zweiter Messstrahl 36, 38 wird in einem Empfangsstrahlengang 52 empfangen. Sendestrahlengang 50 und Empfangsstrahlengang 52 können dabei identisch sein.
Der erste und zweite Messstrahl 30, 32 und der von dem optischen Element 46 zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl 30, 32 durchlaufen dabei auf dem Weg von der optischen Vorrichtung 100 zum optischen Element 46 und wieder zurück das Medium, dessen Dispersion bestimmt werden soll.
Der erste und zweite gebeugte Laserstrahl 34, 35 wird als Referenzstrahl 40, 42 in einem Referenzstrahlengang 54 durch Umlenkung über einen Spiegel 18 sowie eine Überlagerungseinheit 20, welche beispielsweise durch einen Strahlteiler in Form eines halbdurchlässigen Spiegels realisiert ist, auf eine Empfangseinheit 22 abgebildet.
Alternativ kann auch der erste und zweite gebeugte Laserstrahl 34, 35 als erster und zweiter Messstrahl 30, 32, und der erste und zweite Laserstrahl 31, 33 als erster und zweiter Referenzstrahl 40, 42 ausgesendet werden.
Nach dem Durchlaufen der Überlagerungseinheit 20 werden der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl 36, 38 mit dem ersten und zweiten Referenzstrahl 40, 42 überlagert und auf die Empfangseinheit 22 abgebildet.
Dabei wird der zurückgeleitete erste Messstrahl 36 mit dem ersten Referenzstrahl 40 und der zurückgeleitete zweite Messstrahl 38 mit dem zweiten Referenzstrahl 42 durch die Überlagerungseinheit 20 überlagert.
Die Summe aus Länge des Sendestrahlengangs 50 und Empfangsstrahlengang 52 wird als Messarmlänge 56 des Interferometers bezeichnet. Vorteilhaft kann die optische Vorrichtung 100 mit variabler Messarmlänge 56 betrieben werden, beispielsweise durch Einklappen eines weiteren Reflektors in den Empfangsstrahlengang 52. Auf diese Weise kann eine Absolutkalibrierung der Intensität der optischen Strahlen 30, 32, 36, 38, 40, 42 durchgeführt werden.
Der zurückgeleitete Messstrahl 36, 38 wird an dem Strahlteiler 20 mit dem Referenzstrahl 40, 42 überlagert und auf die Empfangseinheit 22, welche beispielsweise eine Photodiode sein kann, abgebildet.
Die Überlagerungseinheit 20 ist bei dem Ausführungsbeispiel in 1 als Strahlteiler ausgebildet, wobei der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl 36, 38 die Überlagerungseinheit 20 passiert und der erste und zweite Referenzstrahl 40, 42 durch die Überlagerungseinheit 20 reflektiert wird.
Die dort entstehende Interferenz enthält ein Schwebungssignal bei der Modulationsfrequenz der akustooptischen Modulationseinrichtung 16 sowie der zweiten Harmonischen davon. Diese Schwebungssignale können den jeweiligen zurückgeleiteten Messsignalen 36, 38 direkt zugeordnet werden und in getrennten Frequenzbändern separiert werden.
Die Empfangseinheit 22 empfängt die überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen 36, 38 und ersten und zweiten Referenzstrahlen 40, 42 und wandelt diese in ein elektrisches Empfangssignal 44 um.
Eine Auswerteeinheit 24 empfängt, digitalisiert und wertet das elektrische Empfangssignal 44 aus.
Das elektrische Empfangssignal 44 kann in der Auswerteeinheit 24 vorteilhaft mit einem Analog-Digital-Wandler digitalisiert werden. Per digitaler Signalverarbeitung werden die beiden bandbegrenzten Signale demoduliert, beispielsweise quadraturdemoduliert, und tiefpassgefiltert. Durch numerische Differenzbildung kann so die relative Dispersion zwischen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen bestimmt werden. Die relative Dispersion ist direkt abhängig von den Umgebungsparametern wie Druck, Temperatur, Luftfeuchte, CO₂-Gehalt und ermöglicht so eine Messung dieser Parameter. Die rein digitale Verarbeitung vereinfacht den Messaufbau erheblich.
Das elektrische Empfangssignal 44 wird dazu in der Auswerteeinheit 24 durch ein Zweitonsignal (ω+ΔΩ)+2(ω+ΔΩ) mit einer Ablage ΔΩ zur Grundfrequenz ω, insbesondere mit der Modulationsfrequenz ΔΩ, auf die Frequenzen ΔΩ und 2 ΔΩ gemischt.
Phasendifferenzen zwischen dem ersten Referenzstrahl 40 und dem zurückgeleiteten ersten Messstrahl 36 sowie dem zweiten Referenzstrahl 42 und dem zurückgeleiteten zweiten Messstrahl 38 werden in der Empfangseinheit 22 in separierbaren Frequenzbändern getrennt für die Grundfrequenz und die zweite Harmonische bestimmt.
Eine relative Dispersion zwischen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen kann durch, insbesondere numerische, Differenzbildung der Phasendifferenzen bestimmt werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Dispersionsinterferometrie mit der optischen Vorrichtung 100 wird ein erster Laserstrahl 31 mittels der Laserstrahlquelle 10 mit der Grundfrequenz der Laserstrahlquelle 10 emittiert. Die Wellengleichung des Laserlichts stellt sich wie folgt dar: $sin (ω t - k x)$
$k = \frac{ω n}{c} = \frac{2 π n}{λ_{V a k u u m}}$
wobei w die Kreisfrequenz der Laserstrahlung (2π * Grundfrequenz des Laserlichts), t die Zeit, k der Wellenvektor, x der Ort entlang des Sendestrahlengangs 50, n der (frequenzabhängige) Brechungsindex des durchlaufenen Mediums, c die Lichtgeschwindigkeit, λ_Vakuum die Wellenlänge der Laserstrahlung im Vakuum darstellt.
Mittels der Frequenzverdopplungseinrichtung 12 wird ein zweiter Laserstrahl 33 bei der Frequenz 2ω der zweiten Harmonischen der Grundfrequenz ω erzeugt. Ein erster gebeugter Laserstrahl 34 und ein zweiter gebeugter Laserstrahl 35 werden mittels der optischen Modulationseinrichtung 16 mit einer Ablage ΔΩ zur Grundfrequenz ω bzw. einer Ablage 2ΔΩ zur doppelten Grundfrequenz 2ω erzeugt.
Der erste gebeugte Laserstrahl 34 weist eine Intensität der ersten Beugungsordnung der Grundfrequenz auf und der zweite gebeugte Laserstrahl 35 eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen. Der erste und zweite gebeugte Laserstrahl 34, 35 werden so kollinear unter einem Winkel 28 gegen den ersten und zweiten optischen Strahl 32, 34 ausgesendet. Insbesondere kann dabei der Winkel 28 höchstens 50 mrad, bevorzugt höchstens 10 mrad, betragen.
Der erste und zweite gebeugte Laserstrahl 34, 35 wird als erster und zweiter Referenzstrahl 40, 42 in einem Referenzstrahlengang 54 auf die Empfangseinheit 22 abgebildet. Der erste und zweite Laserstrahl 31, 33 wird als erster und zweiter Messstrahl 30. 32 in einem Sendestrahlengang 50 auf ein optisches Element 46 gesendet.
Alternativ kann auch der erste und zweite gebeugte Laserstrahl 34, 35 als erster und zweiter Messstrahl 30, 32, und der erste und zweite Laserstrahl 31, 33 als erster und zweiter Referenzstrahl 40, 42 ausgesendet werden.
Ein von dem optischen Element 46 zurückgeleiteter erster und zweiter Messstrahl 36, 38 wird in einem Empfangsstrahlengang 52 empfangen und mit dem ersten und zweiten Referenzstrahl 40, 42 durch eine Überlagerungseinheit 20 überlagert und auf die Empfangseinheit 22 abgebildet.
Die überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen 36, 38 und ersten und zweiten Referenzstrahlen 40, 42 werden durch die Empfangseinheit 22 empfangen und in ein elektrisches Empfangssignal 44 umgewandelt. Das elektrische Empfangssignal 44 wird durch eine Auswerteeinheit 24 empfangen und digitalisiert.
Nach Durchlaufen des Mediums, dessen Dispersion bestimmt werden soll, auf dem Weg entlang des Sendestrahlengangs 50 und des Empfangsstrahlengangs 52 ergeben sich die Phasen ϕ_ω, ϕ_2ω des Laserlichts der zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen 36, 38 an der Empfangseinheit 22: $ϕ_{ω} = ω_{t} - \frac{2 π n (ω) (l + l_{V i b r a t i o n})}{λ}$
$ϕ_{2 ω} = 2 ω_{t} - \frac{2 π n (2 ω) (l + l_{V i b r a t i o n})}{\frac{λ}{2}}$
I stellt dabei die Messarmlänge 56 des Interferometers dar, also die Summe der Längen des Sendestrahlengangs 50 und des Empfangsstrahlengangs 52. I_Vibration stellt eine Änderung der Messarmlänge 56 des Interferometers durch mechanische Vibrationen dar.
Die Phasen des Laserlichts der beiden Referenzstrahlen 40, 42 ergeben sich zu: $ϕ_{ω Reference} = (ω + Δ Ω) t + Φ_{NCP}$
$ϕ_{2 ω Reference} = 2 (ω + Δ Ω) t + Φ_{NCP 2 ω}$
wobei ΔΩ die Modulationsfrequenz der Modulationseinrichtung 16, vorgegeben durch den Oszillator 14, und Φ_NCP, Φ_NCP2ω die Phasen eines sogenannten „non common path" (NCP) darstellen. Der non common path stellt dabei den Teil des Strahlengangs dar, auf dem der erste und zweite Referenzstrahl 40, 42 nicht mit dem zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahl 36, 38 überlagert sind, also den Strahlengang zwischen der optischen Modulationseinrichtung 16 über den Spiegel 18 zu der Überlagerungseinheit 20.
Werden die Phasen ϕ_ω, ϕ_2ω der zurückgeleiteten Messstrahlen 36, 38 von den Phasen ϕ_ωReference, ϕ_2ωReference der jeweiligen Referenzstrahlen 40, 42 subtrahiert, ergeben sich in der Empfangseinheit 22 gemessene Phasendifferenzen ΔΦ_ω, ΔΦ_2ω: $Δ Φ_{ω} = Δ Ω t + Φ_{NCP} + \frac{2 π n (ω) (l + l_{V i b r a t i o n})}{λ}$
$Δ Φ_{2 ω} = 2 Δ Ω t + Φ_{NCP 2 ω} + \frac{2 π n (2 ω) (l + l_{V i b r a t i o n})}{\frac{λ}{2}}$
Die Auswertung der Phasendifferenzen in der Auswerteeinheit 24 ergibt dam it: $\begin{array}{l} Δ Φ_{2 ω} - 2 Δ Φ_{ω} = Φ_{NCP 2 ω} - 2 Φ_{NCP} + (n (2 ω) - n (ω)) \frac{2 π (l + l_{V i b r a t i o n})}{\frac{λ}{2}} \\ \approx Φ_{NCP 2 ω} - 2 Φ_{NCP} + (n (2 ω) - n (ω)) \frac{2 π l}{\frac{λ}{2}} mit l > > l_{V i b r a t i o n} . \end{array}$
Damit kann die Brechungsindexdifferenz n(2ω)-n(ω) der Dispersion des Mediums bestimmt werden.
2 zeigt ein System 200 zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einem zusätzlichen optischen System 26 in einer schematischen Darstellung.
Das optische System 26 kann im Referenzstrahlgang 54 und/oder im Sendestrahlengang 50 und/oder im Empfangsstrahlengang 52 zur Strahlanpassung angeordnet sein. Das optische System 26 weist zusätzlich Strahlformungsoptiken auf, die optional im Strahlengang 50, 52, 54 implementiert sein können.
Die Optiken dienen dazu, die Strahlpropagation, welche im Referenzstrahlengang 54 unterschiedlich zu Sendestrahlengang 50 und Empfangsstrahlengang 52 verläuft, anzugleichen, so dass die Interferenz der Strahlen 36, 38, 40, 42 maximiert wird. Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ist jeweils eine Optik des optischen Systems 26 im Sendestrahlengang 50, im Empfangsstrahlengang 52 sowie im Referenzstrahlengang 54 zwischen dem Spiegel 18 und der Überlagerungseinheit 20 angeordnet. Das optische System 26 kann beispielsweise, wie in 2 dargestellt, ein Linsensystem sein. Alternativ kann das optische System 26 auch Spiegel und/oder holographische Elemente umfassen.
In 3 ist ein System 200 zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung mit vertauschter Frequenzverdopplungseinrichtung 12 und Modulationseinrichtung 16 schematisch dargestellt.
Der erste gebeugte Laserstrahl 34 wird durch Frequenzmodulation mit der Modulationsfrequenz in der optischen Modulationseinrichtung 16 erzeugt und der zweite Laserstrahl 33 und der zweite gebeugte Laserstrahl 35 werden durch die Frequenzverdopplungseinrichtung 12 erzeugt.
Dabei ist die Frequenzverdopplungseinrichtung 12 im Sendestrahlengang 50 nach der optischen Modulationseinrichtung 16 angeordnet. Bei dieser alternativen Ausführungsform wird erst mittels der Modulationseinrichtung 16 der erste gebeugte Laserstrahl 34 aus dem ersten Laserstrahl 31 mit der Grundfrequenz erzeugt, bevor dann aus dem ersten Laserstrahl 31 durch Frequenzverdopplung der zweite Laserstrahl 33 der zweiten Harmonischen erzeugt wird und aus dem ersten gebeugten Laserstrahl 34 der zweite gebeugte Laserstrahl 35. Aus Anordnungsgründen können zwei getrennte Frequenzverdopplungseinrichtungen 12 für den ersten und zweiten Laserstrahl 31, 33 sowie für die beiden gebeugten Laserstrahlen 34, 35 erforderlich sein.
4 zeigt ein System 200 zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung 100 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die zurückgeleiteten Messstrahlen 36, 38 abgelenkt werden, in einer schematischen Darstellung.
Der Sendestrahlengang 50 und der Empfangsstrahlengang 52 sind bei diesem Ausführungsbeispiel kollinear ausgelegt. Diese können mit üblichen Methoden, wie beispielsweise Strahlteilern, wieder in getrennte Strahlwege zerlegt werden und somit wie zuvor weiter behandelt werden.
Alternativ, wie in 4 dargestellt, kann die als Strahlteiler ausgebildete Überlagerungseinheit 20 unmittelbar nach der Modulationseinrichtung 16 angeordnet werden. Beispielsweise kann der Stahlteiler durch eine äquivalent angewinkelte und beschichtete Facette der Modulationseinrichtung 16 gebildet werden.
Der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl 36, 38 wird durch die Überlagerungseinheit 20 reflektiert, während der erste und zweite Messstrahl 30, 32 sowie der erste und zweite Referenzstrahl 40, 42 die Überlagerungseinheit 20 passiert.
Der Normalenvektor 48 der Strahlteileroberfläche 58 liegt auf der Winkelhalbierenden zwischen dem reflektierten zurückgeleiteten Messstrahl 36, 38 bzw. dem Referenzstrahl 40, 42 und dem Messstrahl 30, 32. Auf diese Weise wird der zurückgeleitete Messstrahl 36, 38 auf den Referenzstrahl 40, 42 reflektiert und zur Interferenz gebracht.
Zusätzlich können zur Kompensation von Strahlveränderungen durch Propagation Kompensationsoptiken in beide oder einen der beiden Strahlengänge 50, 52; 54 gebracht werden. Der erste und zweite Messstrahl 30, 32 wie auch der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl 36,38 kann zudem, wie in 4 dargestellt, durch Elemente eines optischen Systems 26 wie Linsen oder Objektive auf das optische Element 46 wie auch die Empfangseinheit 22 abgebildet werden.
In 5 ist eine Aufspaltung von Sendestrahlengang 50 und/oder Empfangsstrahlengang 52 auf verschiedene Strahlwege 62, 64 nach einem weiteren Ausführungsbeispiel dargestellt.
5 zeigt, wie zwischen unterschiedlichen Strahlwegen 62, 64 im Strahlengang 50, 52 gewechselt werden kann. Typischerweise wird hierbei durch Strahlversatz oder durch Stahlablenkung, beispielsweise durch einen Scanner, der Messstrahl 30, 32 anders durch ein Messvolumen geführt, sodass ein geeignetes optisches Element 46 in Form eines Reflektors oder Streuers getroffen wird. Durch die Variation der Messstrecke können freie Parameter in der Auswertung der gemessenen Phasen gegen den Druck bzw. die Gaskonzentration kalibriert werden, ohne dass auf ergänzende Messsysteme zurückgegriffen werden muss. Typische Methoden, um den Strahl zu manipulieren, sind polarisierende Strahlteiler und ein polarisationsdrehendes Element wie z.B. eine rotierbare Lambda/2-Platte, sowie drehbare Prismen oder Spiegel, Flüssigkristalle und dergleichen.
Dazu kann im Sendestrahlengang 50 und/oder im Empfangsstrahlengang 52 eine Strahlablenkungseinheit 60 angeordnet sein, welche den Sendestrahlengang 50 und/oder den Empfangsstrahlengang 52 in einen ersten Strahlweg 62 und einen zweiten Strahlweg 64 aufspaltet. Insbesondere kann dabei als Sendestrahlengang 50 und/oder als Empfangsstrahlengang 52 der erste Strahlweg 62 oder der zweite Strahlweg 64 mittels der Strahlablenkungseinheit 60 ausgewählt werden. Alternativ kann eine zweite Empfangseinheit 22 hinzugefügt werden, um beide Strahlwege 62, 64 parallel auszuwerten.
Bezugszeichen

10: Laserstrahlquelle
12: Frequenzverdopplungseinrichtung
14: Oszillator
16: optischer Modulationseinrichtung
18: Spiegel
20: Überlagerungseinheit
22: Empfangseinheit
24: Auswerteeinheit
26: optisches System
28: Winkel
30: erster Messstrahl
31: erster Laserstrahl
32: zweiter Messstrahl
33: zweiter Laserstrahl
34: erster gebeugter Laserstrahl
35: zweiter gebeugter Laserstrahl
36: zurückgeleiteter erster Messstrahl
38: zurückgeleiteter zweiter Messstrahl
40: erster Referenzstrahl
42: zweiter Referenzstrahl
44: elektrisches Empfangssignal
46: optisches Element
48: Normalenvektor
50: Sendestrahlengang
52: Empfangsstrahlengang
54: Referenzstrahlengang
56: Armlänge Interferometer
58: Strahlteileroberfläche
60: Strahlablenkungseinheit
62: erster Strahlweg
64: zweiter Strahlweg

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 4403021 C2 [0004]
DE 69735148 T2 [0005]

Claims

Optische Vorrichtung (100), wenigstens umfassend eine Laserstrahlquelle (10) zum Emittieren eines ersten Laserstrahls (31) mit einer Grundfrequenz der Laserstrahlquelle (10); eine Frequenzverdopplungseinrichtung (12) und eine optische Modulationseinrichtung (16) zum Erzeugen eines zweiten Laserstrahls (33) bei einer Frequenz einer zweiten Harmonischen der Grundfrequenz, sowie eines ersten gebeugten Laserstrahls (34), welcher eine Intensität der ersten Beugungsordnung einer modulierten Grundfrequenz aufweist, und eines zweiten gebeugten Laserstrahls (35), welcher eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen aufweist; einen Referenzstrahlengang (54), welcher zur Abbildung eines ersten und zweiten Referenzstrahls (40, 42) auf eine Empfangseinheit (22) ausgebildet ist; einen Sendestrahlengang (50), welcher zum Aussenden eines ersten und zweiten Messstrahls (30, 32) auf ein optisches Element (46) ausgebildet ist; einen Empfangsstrahlengang (52), welcher zum Empfangen eines von dem optischen Element (46) zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls (36, 38) ausgebildet ist; eine Überlagerungseinheit (20), welche zum Überlagern des zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls (36, 38) mit dem ersten und zweiten Referenzstrahl (40, 42) und zum Abbilden der überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen (36, 38) und ersten und zweiten Referenzstrahlen (40, 42) auf die Empfangseinheit (22) ausgebildet ist, wobei die Empfangseinheit (22) zum Empfangen der überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen (36, 38) und ersten und zweiten Referenzstrahlen (40, 42) und zum Umwandeln in ein elektrisches Empfangssignal (44) ausgebildet ist; sowie eine Auswerteeinheit (24), welche zumindest zum Auswerten des elektrischen Empfangssignals (44) ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der erste und zweite Messstrahl (30, 32) als erster und zweiter Laserstrahl (31, 33) und der erste und zweite Referenzstrahl (40, 42) als erster und zweiter gebeugter Laserstrahl (34, 35) ausgebildet ist, oder wobei der erste und zweite Messstrahl (30, 32) als erster und zweiter gebeugter Laserstrahl (34, 35) und der erste und zweite Referenzstrahl (40, 42) als erster und zweiter Laserstrahl (31, 33) ausgebildet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenzverdopplungseinrichtung (12) im Sendestrahlengang (50) vor der optischen Modulationseinrichtung (16) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Frequenzverdopplungseinrichtung (12) im Sendestrahlengang (50) nach der optischen Modulationseinrichtung (16) angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Frequenzverdopplungseinrichtung (12) wenigstens einen Keil aufweist, mittels welchem ein Versatzwinkel zwischen dem ersten Laserstrahl (31) und dem zweiten Laserstrahl (33) durch wenigstens einen Keil kompensierbar ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der erste und zweite gebeugte Laserstrahl (34, 35) kollinear unter einem Winkel (28) größer 0 mrad gegen den ersten und zweiten Laserstrahl (31, 33) ausgesendet sind, insbesondere wobei der Winkel (28) höchstens 50 mrad, bevorzugt höchstens 10 mrad, beträgt.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Überlagerungseinheit (20) als Strahlteiler ausgebildet ist, wobei der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl (36, 38) die Überlagerungseinheit (20) passiert und der erste und zweite Referenzstrahl (40, 42) durch die Überlagerungseinheit (20) reflektiert wird, oder wobei der zurückgeleitete erste und zweite Messstrahl (36, 38) durch die Überlagerungseinheit (20) reflektiert wird und der erste und zweite Messstrahl (30, 32) und der erste und zweite Referenzstrahl (40, 42) die Überlagerungseinheit (20) passiert.
Optische Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei ein Normalenvektor (48) der Strahlteileroberfläche (58) auf einer Winkelhalbierenden zwischen den Referenzstrahlen (40, 42) und den zurückgeleiteten Messstrahlen (36, 38) liegt.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Referenzstrahlgang (54) und/oder im Sendestrahlengang (50) und/oder im Empfangsstrahlengang (52) ein optisches System (26) zur Strahlanpassung angeordnet ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Sendestrahlengang (50) und/oder im Empfangsstrahlengang (52) eine Strahlablenkungseinheit (60) angeordnet ist, welche den Sendestrahlengang (50) und/oder den Empfangsstrahlengang (52) in mindestens einen ersten Strahlweg (62) und einen zweiten Strahlweg (64) aufspaltet, insbesondere wobei mittels der Strahlablenkungseinheit (60) als Sendestrahlengang (50) und/oder als Empfangsstrahlengang (52) der erste Strahlweg (62) oder der zweite Strahlweg (64) auswählbar ist.
Optische Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei im Referenzstrahlengang (54) und/oder im Sendestrahlengang (50) und/oder im Empfangsstrahlengang (52) wenigstens ein Spiegel (18) zur Umlenkung des ersten und zweiten Referenzstrahls (40, 42) und/oder des ersten und zweiten Messstrahls (30, 32) und/oder des zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls (36, 38) angeordnet ist.
System (200) zur Dispersionsinterferometrie, wenigstens umfassend eine optische Vorrichtung (100) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Verfahren zur Dispersionsinterferometrie mit einer optischen Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wenigstens umfassend: Emittieren eines ersten Laserstrahls (31) mittels einer Laserstrahlquelle (10) mit einer Grundfrequenz der Laserstrahlquelle (10); Erzeugen eines zweiten Laserstrahls (33) bei einer Frequenz einer zweiten Harmonischen der Grundfrequenz, sowie eines ersten gebeugten Laserstrahls (34), welcher eine Intensität der ersten Beugungsordnung einer modulierten Grundfrequenz aufweist, und eines zweiten gebeugten Laserstrahls (35), welcher eine Intensität der zweiten Beugungsordnung der zweiten Harmonischen aufweist, mittels einer Frequenzverdopplungseinrichtung (12) und einer optischen Modulationseinrichtung (16); Abbilden eines ersten und zweiten Referenzstrahls (40, 42) in einem Referenzstrahlengang (54) auf eine Empfangseinheit (22); Aussenden eines ersten und zweiten Messstrahls (30, 32) in einem Sendestrahlengang (50) auf ein optisches Element (46); Empfangen eines von dem optischen Element (46) zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls (36, 38) in einem Empfangsstrahlengang (52); Überlagern des zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahls (36, 38) mit dem ersten und zweiten Referenzstrahl (40, 42) durch eine Überlagerungseinheit (20) und Abbilden auf die Empfangseinheit (22); Empfangen der überlagerten zurückgeleiteten ersten und zweiten Messstrahlen (36, 38) und ersten und zweiten Referenzstrahlen (40, 42) durch die Empfangseinheit (22) und Umwandeln in ein elektrisches Empfangssignal (44); Auswerten des elektrischen Empfangssignals (44) durch eine Auswerteeinheit (24).
Verfahren nach Anspruch 13, wobei als erster und zweiter Messstrahl (30, 32) der erste und zweite Laserstrahl (31, 33) und als erster und zweiter Referenzstrahl (40, 42) der erste und zweite gebeugte Laserstrahl (34, 35) verwendet wird, oder wobei als erster und zweite Messstrahl (30, 32) der erste und zweite gebeugte Laserstrahl (34, 35) und als erster und zweiter Referenzstrahl (40, 42) der erste und zweite Laserstrahl (31, 33) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der zweite Laserstrahl (33) durch die Frequenzverdopplungseinrichtung (12) aus dem ersten Laserstrahl (31) erzeugt wird und der erste und zweite gebeugte Laserstrahl (34, 35) aus dem ersten und zweiten Laserstrahl (31, 33) durch Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz in der optischen Modulationseinrichtung (16) erzeugt werden.
Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei der erste gebeugte Laserstrahl (34) durch Frequenzmodulation mit einer Modulationsfrequenz in der optischen Modulationseinrichtung (16) aus dem ersten Laserstrahl (31) erzeugt wird und der zweite Laserstrahl (33) und der zweite gebeugte Laserstrahl (35) durch die Frequenzverdopplungseinrichtung (12) aus dem ersten Laserstrahl (31) und dem ersten gebeugten Laserstrahl (34) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, wobei ein Versatzwinkel zwischen dem ersten Laserstrahl (31) und dem zweiten Laserstrahl (33) durch wenigstens einen Keil kompensiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 17, wobei der erste und zweite gebeugte Laserstrahl (34, 35) kollinear unter einem Winkel (28) gegen den ersten und zweiten Laserstrahl (31, 33) ausgesendet werden, insbesondere wobei der Winkel (28) höchstens 50 mrad, bevorzugt höchstens 10 mrad, beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der zurückgeleitete erste Messstrahl (36) mit dem ersten Referenzstrahl (40) und der zurückgeleitete zweite Messstrahl (38) mit dem zweiten Referenzstrahl (42) durch die Überlagerungseinheit (20) überlagert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das elektrische Empfangssignal (44) in der Auswerteeinheit (24) demoduliert und/oder gefiltert wird, insbesondere wobei das elektrische Empfangssignal (44) in der Auswerteeinheit (24) mittels Quadraturdemodulation demoduliert und mit einem Tiefpass gefiltert wird, und/oder wobei das elektrische Empfangssignal (44) in der Auswerteeinheit (24) durch ein Zweitonsignal mit einer Ablage zur Grundfrequenz, insbesondere mit der Modulationsfrequenz, gemischt und mittels Quadraturdemodulation demoduliert und mit einem Tiefpass gefiltert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 20, wobei Phasendifferenzen zwischen dem ersten Referenzstrahl (40) und dem zurückgeleiteten ersten Messstrahl (36) sowie dem zweiten Referenzstrahl (42) und dem zurückgeleiteten zweiten Messstrahl (38) in der Empfangseinheit (22) in separierbaren Frequenzbändern getrennt für die Grundfrequenz und die zweite Harmonische bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei eine relative Dispersion zwischen der Grundfrequenz und der zweiten Harmonischen durch, insbesondere numerische, Differenzbildung der Phasendifferenzen bestimmt wird.