DE10336839A1

DE10336839A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Stabilisierung einer kohärente Strahlung emittierenden Strahlungsquelle

Info

Publication number: DE10336839A1
Application number: DE10336839A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Meixner; Markus Dipl.-Ing. Riemenschneider; Andreas Dipl.-Ing. Purde; Thomas Dipl.-Ing. Zeh
Original assignee: Technische Universitaet Muenchen
Current assignee: Technische Universitaet Muenchen
Priority date: 2003-08-11
Filing date: 2003-08-11
Publication date: 2005-03-24

Abstract

Zur Stabilisierung von Lasern (4, 5) wird vorgeschlagen, dessen Ausgangsstrahlung mit Hilfe eines Sensors (42) zu erfassen und einer Steuereinheit (43) zuzuführen. Um den Istwert in Richtung auf einen Solwert zu verändern, wählt die Steuereinheit (43) für Betriebsparameter der Laser (4, 5) in einer Speichereinheit (44) gespeicherte Werte aus.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Stabilisierung einer kohärente Strahlung emittierenden Strahlungsquelle mit:

– einem mit der Strahlung beaufschlagten Sensor und
– einer Steuereinheit, die aus den vom Sensor gelieferten Messwerten einen Istwert bestimmt und durch die ein Betriebsparameter der Strahlungsquelle zur Einstellung des Istwerts auf einen Sollwert veränderbar ist.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Stabilisierung einer kohärente Strahlung emittierenden Strahlungsquelle.

Insbesondere Halbleiterdiodenlaser, die nachfolgend kurz als Diodenlaser bezeichnet werden, neigen im Betrieb zu Instabilitäten. Damit die Diodenlaser nur in einer Mode Strahlung emittieren, müssen die Betriebsparameter, wie Betriebsstrom und Betriebstemperatur mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden. Zur Stabilisierung der vom Diodenlaser emittierten Strahlung sind sogenannte Mode-Locking-Systeme bekannt. Mit derartigen Systemen ist es möglich, die vom Diodenlaser emittierte Strahlung weitgehend zu stabilisieren.

Die bekannten Mode-Locking-Systeme sind jedoch sehr teuer, so dass sie für einfache interferometrische Anwendungen nicht in Frage kommen. Außerdem können auch die Mode-Locking-Systeme Diodenlaser nicht über lange Zeit stabil halten.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Stabilisierung der von einer Strahlungsquelle emittierten kohärenten Strahlung anzugeben.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung und ein Verfahren mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.

Zur Stabilisierung der kohärenten Strahlung wählt die Steuereinheit der Vorrichtung für den Betriebsparameter der Strahlungsquelle vorbestimmte Werte aus, die in einer Speichereinheit abgespeichert sind. Die vorbestimmten Werte sind so ausgewählt, dass die Strahlung möglichst den Sollwert erreicht. Wenn daher bei einer bestimmten Kombination von Betriebsparametern der Istwert der Strahlung vom Sollwert abweicht, kann die Steuereinheit für die Betriebsparameter eine neue Kombination von Werten auswählen, für die der Istwert der Strahlung auf den Sollwert einstellbar ist.

Zur Stabilisierung der kohärenten Strahlung der Strahlungsquelle wird daher so verfahren, dass zunächst vor dem eigentlichen Messbetrieb Wertebereiche für die Betriebsparameter bestimmt werden, in denen die Strahlung den Sollwert aufweist. Diese Wertebereiche werden daraufhin in der Speichereinheit abgespeichert und von der Steuereinheit gegebenenfalls während eines Messvorgangs ausgelesen, wobei die Auswerteeinheit eine geeignete Auswahl zwischen den in Frage kommenden Wertebereichen trifft.

Vorzugsweise handelt es sich bei den Strahlungsquellen um Diodenlaser, deren Betriebstemperatur und Betriebsstrom von der Steuereinheit so eingestellt wird, dass der Diodenlaser Strahlung in einer Mode emittiert.

Die Ist- und Sollwerte werden vorzugsweise dadurch bestimmt, dass die Strahlungsleistung in der Hauptmode zur Strahlungsleistung in den Nebenmoden ins Verhältnis gesetzt wird. Das Verhältnis kann in Abhängigkeit vom Betriebsstrom und von der Betriebstemperatur des Diodenlasers vor der Durchführung der eigentlichen Messung bestimmt werden. Daraus ergeben sich Stabilitätskarten, aus denen sich signifikante Stabilitätsbereiche bestimmen lassen, in denen die Strahlungsintensität in der Hauptmode besonders hoch und die Strahlungsintensität in den Nebenmoden besonders niedrig ist. Indem die Werte für die Betriebstemperatur und den Betriebsstrom aus den Stabilitätsbereichen ausgewählt werden, kann der Diodenlaser in einem Zustand gehalten werden, in dem die Strahlung im wesentlichen in einer Mode emittiert wird.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung im Einzelnen erläutert werden. Es zeigen:
1 den Aufbau eines Speckle-Interferometers;
2 eine perspektivische Ansicht eines Einkoppelspiegels und eines Auslenkspiegels des Speckle-Interferometers aus 1;
3 einen Querschnitt durch ein zu untersuchendes Messobjekt;
4 ein mit dem Speckle-Interferometer aus den 1 und 2 gewonnenes Höhenlinienbild der Oberfläche des Messobjektes aus 3;
5 ein mit dem Speckle-Interferometer aus den 1 und 2 gewonnenes Höhenlinienbild der stark verkippten Oberfläche des Messobjekts aus 3;
6 einen vergrößerten Querschnitt durch die Oberfläche des Messobjekts aus 3;
7 einen weiteren vergrößerten Querschnitt durch die Oberfläche des Messobjekts aus 3;
8 eine Stabilitätskarte eines für das Speckle-Interferometer aus 1 verwendbaren Diodenlasers; und
9 eine Erweiterung des Speckle-Interferometers aus 1 um Einrichtungen zur Stabilisierung der verwendeten Laser.
In 1 ist ein Speckle-Interferometer 1 dargestellt, mit dem sich eine Oberfläche 2 eines zu untersuchenden Messobjekts 3 erfassen lässt. Das Speckle-Interferometer 1 umfasst einen ersten Laser 4 und einen zweiten Laser 5, die bei verschiedenen Wellenlängen betrieben werden. Der erste Laser 4 emittiert einen Primärstrahl 6, der über einen Umlenkspiegel 7 zu einem verschwenkbaren Einkoppelspiegel 8 gelenkt wird. In gleicher Weise emittiert der zweite Laser 5 einen zweiten Primärstrahl 9, der über einen verschwenkbaren Auslenkspiegel 10 ebenfalls zum Einkoppelspiegel 8 gelenkt wird. Der Einkoppelspiegel 8 und der Auslenkspiegel 10 werden von Stellmotoren 11 und 12 angetrieben, die über Steuerleitungen 13 und 14 an einen Rechner 15 mit einer Anzeigeeinheit 16 angeschlossen sind. Sowohl der Einkoppelspiegel 8 als auch der Auslenkspiegel 10 werden vorzugsweise von Schrittmotoren angesteuert, die es gestatten, den Einkoppelspiegel 8 und den Auslenkspiegel 10 bis auf 1 Minute (1') auszurichten. Daneben können auch Schrittmotoren verwendet werden, die ein noch genaueres Ausrichten erlauben.
Durch den Einkoppelspiegel 8 werden der erste Primärstrahl 6 und der zweite Primärstrahl 9 abwechselnd zu einem Strahlteiler 17 abgelenkt und dort in einen Referenzstrahl 18 und einen Objektstrahl 19 aufgeteilt. Der Objektstrahl 19 trifft auf Umlenkspiegel 20 und 21 und wird von diesen zu der Oberfläche 2 des Messobjekts 3 gelenkt. An der Oberfläche 2 re flektierte Rückstrahlung 22 wird von einer Linse 23 erfasst und mit Hilfe eines weiteren Strahlteilers 24 mit dem Referenzstrahl 18 kombiniert. Außerdem bildet die Linse 23 die Oberfläche 2 des Messobjekts 3 auf eine Detektorfläche 25 eines Detektors 26 ab. Das von dem Detektor 26 aufgenommene Inteferenzbild wird mit Hilfe einer Datenleitung 27 dem Rechner 15 zugeführt und dort weiter verarbeitet.
2 zeigt eine perspektivische Ansicht des Strahlengangs vom ersten Laser 4 oder zweiten Laser 5 zum Strahlteiler 17. In 2 befindet sich der Einkoppelspiegel 8 in einer Stellung, in der der vom ersten Laser 4 ausgehende Primärstrahl 6 in Richtung des Strahlteilers 17 gelenkt wird. Durch Verschwenken des Einkoppelspiegels 8 um eine Drehachse 28 oder auch um eine Drehachse 29 kann der Einkoppelspiegel 8 in eine Stellung gebracht werden, in der er den vom zweiten Laser 5 ausgehenden Primärstrahl 9 in Richtung des Strahlteilers 17 lenkt. Der Primärstrahl 9 kann darüber hinaus mit Hilfe des um eine Drehachse 30 verschwenkbaren Auslenkspiegels 10 auch in eine Y-Richtung ausgelenkt werden. Falls der Einkoppelspiegel 8 lediglich um die Drehachse 28 verschwenkbar ist, könnten die Primärstrahlen 6 und 9 lediglich in X-Richtung ausgelenkt werden.
Das Speckle-Interferometer 1 wird zum Beispiel wie folgt betrieben:
Zunächst wird der Einkoppelspiegel 8 wie in 2 dargestellt so ausgerichtet, dass der vom ersten Laser 4 ausgehende Primärstrahl 6 auf den Strahlteiler 17 trifft. Das vom Detektor 26 aufgenommene Speckle-Interferogramm wird im Rechner 15 abgespeichert. Da der erste Laser 4 Strahlung einer bestimmten ersten Wellenlänge emittiert, nimmt der Detektor 26 ein Speckle-Interferogramm bei der ersten Wellenlänge auf. Dieses Speckle-Interferogramm wird nachfolgend als erstes Speckle-Interferogramm bezeichnet.
Anschließend wird der Einkoppelspiegel 8 verschwenkt, so dass nunmehr der Primärstrahl 9, der vom zweiten Laser 5 emittiert wird, zum Strahlteiler 17 gelangt. Der zweite Laser 5 emittiert Strahlung bei einer zweiten Wellenlänge, die von der ersten Wellenlänge der vom ersten Laser 4 emittierten Strahlung verschieden ist. Das vom Detektor 26 bei der zweiten Wellenlänge aufgenommene Speckle-Interferogramm wird nachfolgend als zweites Speckle-Interferogramm bezeichnet.
Die vom Detektor 26 aufgenommenen Speckle-Interferogramme sind um so kontrastreicher, je größer die Strahlungsleistung des Objektstrahls 19 im Vergleich zum Referenzstrahl 18 ist. Am größten ist der Kontrast, wenn der Referenzstrahl 18 und Rückstrahlung 22 auf der Detektorfläche 25 die gleiche Intensität aufweisen. Dies ist aber nicht ohne weiters der Fall. Denn an der Oberfläche 2 wird nur ein Bruchteil der Strahlungsleistung des auf die Oberfläche 2 einfallenden Objektstrahls 19 in Richtung der Linse 23 zurückreflektiert. Da die Primärstrahlen 6 und 9 auf mechanischem Wege mit Hilfe des Einkoppelspiegels 8 auf den Strahlteiler 17 gelenkt werden, kann für den Strahlteiler 17 ein Strahlteiler ausgewählt werden, der für den Referenzstrahl 18 und den Objektstrahl 19 ein auf die Leistung bezogenes Teilungsverhältnis abseits 50:50 aufweist. Beispielsweise ist es möglich, einen Strahlungsteiler zu verwenden, bei dem die Leistungsdichte von Referenzstrahl 18 zu Objektstrahl 19 unterhalb von 30:70 liegt. Auf diese Weise lassen sich auch bei kurzen Messzeiten kontraststarke Speckle-Interferogramme gewinnen. Insbesondere kann auf Abschwächer im Strahlengang des Referenzstrahls 18 verzichtet werden.
Der Einkoppelspiegel 8 und der Auslenkspiegel 10 gestatten ferner, Verkippungen des Messobjekts 3 auf einfache Weise auszugleichen. Dies sei nachfolgend anhand der 3 bis 7 im Einzelnen erläutert.
3 zeigt einen Querschnitt durch das Messobjekt 3, das in einem mittleren Bereich eine kugelsegmentförmige Erhebung 31 aufweist. Von dieser Erhebung 31 wird nun mit Hilfe des Speckle-Interferometers 1 ein erstes und zweites Speckle-Interferogramm aufgenommen. Im Rechner 15 werden das erste und zweite Speckle-Interferogramm einem Phasenrekonstruktionsverfahren unterzogen und dadurch ein in 4 dargestelltes Höhenlinienbild 32 der Erhebung 31 erzeugt. Das Höhenlinienbild 32 entspricht, abgesehen von der beim Höhenlinienbild vollständigen Phaseninformation, einem Interferenzbild, das bei einer synthetischen Wellenlänge λ_S aufgenommen worden ist, die ein Vielfaches der ersten und zweiten Wellenlänge ist. Neben den im Interferenzbild enthaltenen und durch die Interferenzstreifen vermittelten Ortsinformationen enthält das Höhenlinienbild 32 auch vollständige Phaseninformationen. In 4 sind deutlich ring- und kreisförmige Phasenstreifen 33 zu erkennen. Der jeweils geltende Wert der Phase zwischen 0 und 2π ist beispielsweise durch einen zugeordneten Grauwert kodiert. Aus dem Höhenlinienbild 32 ergibt sich unmittelbar die Struktur der Erhebung 31.
Bei einer leichten Verkippung der Oberfläche 2 des Messobjekts 3 ergibt sich jedoch ein Höhenlinienbild 34 mit der in 5 dargestellten Struktur. Das Höhenlinienbild 34 weist der Neigung der Oberfläche 2 entsprechende große Anzahl von Phasenstreifen 35 auf. Bei der Verkippung der Oberfläche 2 tritt somit das Problem auf, dass eine zu große Verkippung zu einer zu großen Anzahl von Phasenstreifen 35 führt. Da für die Auflösung von Phasenstreifen 35 in der Praxis pro Phasenstreifen etwa 20 bis 50 Pixel erforderlich sind, können die Phasenstreifen 35 häufig nicht mehr aufgelöst werden.
Wie nachfolgend im Einzelnen erläutert werden wird, kann jedoch durch eine geringfügige, zwischen der Aufnahme von zwei Interferogrammen durchgeführte und mit Hilfe des Einkoppelspiegels 8 und des Auslenkspiegels 10 vorgenommene Verkippung des Objektstrahls 19 eine wesentlich größere Verkippung der Oberfläche 2 des Messobjekts 3 ausgeglichen werden. Die Verkippung des Objektstrahls 19 wird vorzugsweise dadurch bewerkstelligt, dass der jeweilige Primärstrahl 6 oder 9 mit Hilfe des Einkoppelspiegels 8 oder des Auslenkspiegels 10 etwas aus der Sollrichtung ausgelenkt wird. Die dabei gleichzeitig erfolgende Verkippung des Referenzstrahls 18 kann vernachlässigt werden, da der Referenzstrahl 18 aufgrund nicht dargestellter Strahlformungseinrichtungen einen wesentlichen kleineren Strahldurchmesser als der Objektstrahl 19 aufweist, so dass sich Verkippungen des Referenzstrahls 18 wesentlich geringer auswirken.
Diese Korrekturmöglichkeit wird nachfolgend der Einfachheit halber am Beispiel der Differenzbildmethode erläutert, bei der die Phaseninformation nicht vollständig rekonstruiert wird. Die nachfolgenden Erläuterungen gelten aber auch für andere Verfahren mit vollständiger Rekonstruktion der Phaseninformation.
Betrachtet sei der in 6 dargestellte Fall. In 6 ist ein Schnitt durch die Oberfläche 2 dargestellt, wobei der Verlauf der Oberfläche 2 am Ort x durch einen Vektor d →, der sich zwischen einer Bezugsebene 36 und der Oberfläche 2 erstreckt, dargestellt ist.
In dem in 6 dargestellten Fall verlaufen die Objektstrahlen 19 und die Rückstrahlung 22 der vom ersten Laser 4 ausgehenden Laserstrahlung L₁ und dem zweiten Laser 5 ausgehenden Laserstrahlung L₂ im Wesentlichen parallel zu einer Flächennormalen 37 der Bezugsebene 36. Die Intensitätsverteilungen des ersten und zweiten Speckle-Interferogramms ergeben sich dann gemäß folgenden Formeln: I1 = I0(1 + γ cos(φ1)) I2 = I0(1 + γ cos(φ2)) wobei I₀ die Grundintensität und γ die Modulation ist. Die Phasenunterschiede φ₁ und φ₂ zwischen dem Objektstrahl 19 und dem Referenzstrahl 18 ergeben sich jeweils aus den Formeln: φ1 = k →1·d → φ2 = k →2·d →wobei k →₁ und k →₂ die Wellenvektoren der jeweils vom ersten Laser 4 und vom zweiten Laser 5 emittierten Strahlung sind und d → der die Geometrie der Oberfläche 2 beschreibender Vektor ist.
Durch Subtraktion der beiden Speckle-Interferogramme ergibt sich ein Interferenzbild, dessen Phase im Wesentlichen von der Differenz der beiden Phasen φ₁ und φ₂ bestimmt wird, für die gilt:
Die Oberfläche 2 des Messobjekts 3 wird somit auf der Skala der synthetischen Wellenlänge λ_S abgetastet.
In 7 ist der Objektstrahl 19 um einen Winkel α verkippt, was dazu führt, dass der Verlauf der Oberfläche 2 nunmehr durch einen Vektor d → + d →_a beschrieben wird. Die Phase des Höhenlinienbilds 34 wird auch in diesem Fall durch die Differenz der Phasen φ₁ und φ₂ bestimmt, für die in diesem Fall gilt.
Daraus ergibt sich, dass der ursprünglich durch den Vektor d → beschriebene Verlauf der Oberfläche 2 mit der synthetischen Wellenlänge λ_S erfasst wird. Die Verkippung des Objektstrahls 19 geht dagegen mit der Wellenlänge λ₂ skaliert in die Phase des Höhenlinienbilds ein. Danach ist es möglich, durch eine geringfügige Verkippung eines Objektstrahls 19 eine wesentlich größere Verkippung des Objekts 2 zu kompensieren.
Dieser Effekt kann zum einen dazu verwendet werden, die Breite der Phasenstreifen 35 so einzustellen, dass einerseits die Struktur der Oberfläche 2 erfasst werden kann und andererseits die Phasenstreifen 35 ausreichend getrennt sind.
Zum anderen ist es möglich, verkippte Oberflächen 2 zu vermessen. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn der Objektstrahl 19 nicht im rechten Winkel zu der Oberfläche 2 ausgerichtet werden kann. Dies ist beispielsweise bei der Vermessung von Oberflächen 2 von Hohlräumen der Fall. Beispielsweise können mit dem Speckle-Interferometer 1 sich im Inneren von Hohlräumen befindende Schweißnähte untersucht werden.
Es sei angemerkt, dass die Verkippung des Objektstrahls durchgeführt werden kann, ohne dass das Speckle-Interferometer 1 an anderer Stelle nachjustiert werden muss, da für die Kompensation der Verkippung des Objekts 2 der Objektstrahl 19 nur geringfügig verkippt werden muss.
Ferner sei ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die Verkippung des Objektstrahls 19 auch durch eine geringfügige Verkippung der Umlenkspiegel 20 und 21 bewerkstelligt werden kann. Eine Auslenkung des Objektstrahls 19 mit Hilfe des Einkoppelspiegels 8 oder des Auslenkspiegels 9 ist daher nicht unbedingt erforderlich, aber vorteilhaft, da nicht zusätzliche Stellvorrichtungen an den Umlenkspiegeln 20 und 21 vorgesehen werden müssen.
Bei ausreichend großem Strahlquerschnitt des Referenzstrahls 18 kann ferner die Verkippung des Objekts 3 auch durch eine zwischen der Aufnahme von zwei Interferogrammen erfolgende Verkippung des Referenzstrahls 18 kompensiert werden. Dabei gilt, dass die zur Kompensation der Verkippung des Objekts 3 notwendige Verkippung des Referenzstrahls 18 umso größer ist je kleiner der Strahlquerschnitt des Referenzstrahls 18 ist.
Ein weiterer Vorteil des hier beschriebenen Speckle-Interferometers 1 ist, dass Justagefehler beim Ausrichten der verwendeten optischen Komponenten durch ein leichtes Verkippen des Auslenkspiegels 10 und des Einkoppelspiegels 8 kompensiert werden kann. Insbesondere braucht der Strahlteiler 17 nicht wie beim Stand der Technik mühsam jeweils für Referenzstrahl 18 und Objektstrahl 19 justiert zu werden.
Neben den beiden Lasern 4 und 5 können noch weitere Laser vorgesehen sein. Der Einkoppelspiegel 8 wird dann wechselweise so verschwenkt, dass jeweils einer der von den Lasern emittierten Primärstrahlen auf den Strahlteiler 17 ausgerichtet wird.
Ferner ist es möglich, zwar nur zwei Laser zu verwenden, aber dafür durchstimmbare Laser einzusetzen, wobei die Wellenlänge eines Laser dann geändert wird, wenn jeweils gerade der andere Laser zur Aufnahme eines Speckle-Interferogramms verwendet wird.
Als durchstimmbare Laser kommen insbesondere Halbleiterdiodenlaser in Frage, die nachfolgend kurz als Diodenlaser bezeichnet werden. Diese Diodenlaser lassen sich bei geeigneter Wahl des Betriebsstroms und der Betriebstemperatur in einen Zustand bringen, in dem der Diodenlaser Strahlung nur in einer Mode emittiert. Dieser Betriebszustand wird auch als Monomodenbetrieb bezeichnet.
Auch wenn der Betriebsstrom und die Betriebstemperatur mit großer Genauigkeit konstant gehalten werden, gehen die meisten Diodenlaser über längere Zeit hinweg in einen Zustand über, in dem Strahlung in mehreren Moden emittiert wird. Durch dieses instabile Verhalten geht die gewünschte Kohärenz der Strahlung verloren und interferometrische Messungen sind nicht länger möglich.
Zur Stabilisierung von Diodenlasern sind bereits diverse Systeme, so genannte Mode-Locking-Systeme, am Markt erhältlich. Bei der Beschaffung dieser Systeme muss jedoch mit erheblichen Kosten gerechnet werden. Diese Systeme scheiden daher bereits aus Kostengründen für die Speckle-Interferometrie im industriellen Umfeld aus. Für die Funktion des Speckle-Interferometers 1 ist darüber hinaus nicht der absolute Wert einer Wellenlänge entscheidend, sondern deren Stabilität.
Es ist daher ausreichend, wenn von einem verwendeten Diodenlaser eine Stabilitätskarte 38 von der in 8 dargestellten Art angefertigt wird. In der Stabilitätskarte 38 sind insbesondere Stabilitätsbereiche 39 eingezeichnet. Bei den dem Stabilitätsbereich 39 zugeordneten Werten für die Betriebstemperatur und den Betriebsstrom emittiert der Diodenlaser im Wesentlichen in einer Mode. Das Verhältnis der Leistungsdichte in der Hauptmode zu der Leistungsdichte in den Nebenmoden ist daher in den Stabilitätsbereichen 39 besonders hoch. Daneben existieren auch ausgeprägte Instabilitätszonen 40, in denen das Verhältnis der Leistungsdichte in der Hauptmode zur Leistungsdichte in den Nebenmoden besonders niedrig ist. Zwischen den Stabilitätsbereichen 39 und den Instabilitätszonen 40 befindet sich ein Übergangsbereich 41, in dem das Verhältnis der Leistungsdichten von dem in den Stabilitätsbereichen 39 geltenden Werten zu dem Wert der Instabilitätszonen 40 abfällt.
Zur Aufnahme der Stabilitätskarte 38 werden der Betriebsstrom und die Betriebstemperatur eines zu untersuchenden Diodenlasers zeitlich kontinuierlich verändert. Mit Hilfe eines Spektrometers, durch das das Spektrum der vom zu vermessenden Diodenlaser emittierten Strahlung erfasst wird, wird das Verhältnis der Leistungsdichte in der jeweiligen Hauptmode zu der Leistungsdichte in den Nebenmoden bestimmt und in Abhän gigkeit von der jeweils herrschenden Betriebstemperatur und dem jeweils verwendeten Betriebsstrom in die Stabilitätskarte 38 eingetragen. Die Aufnahme der Stabilitätskarte 38 ist sehr zeitaufwändig und wird daher für jede Diodenlaser vor dem Einbau in das Speckle-Interferometer 1 vorgenommen. Um Alterungsprozesse zu erfassen, kann die Aufnahme der Stabilitätskarte 38 in regelmäßigen Abständen wiederholt werden.
Zur Überwachung der Stabilität der Diodenlaser kann beispielsweise das Speckle-Interferometer 1, wie in 9 dargestellt, ergänzt werden. Bei dem in 9 dargestellten, abgewandelten Speckle-Interferometer 1 werden die Primärstrahlen 6 und 9 jeweils von der Rückseite des Einkoppespiegels 8 zu einem Spektrometer 42 gelenkt. Die Stabilitätsuntersuchung des ersten Lasers 4 und des zweiten Lasers 5 findet somit immer dann statt, wenn der jeweilige Primärstrahl 6 oder 9 nicht zur Aufnahme eines Speckle-Interferogramms verwendet wird. Das vom Spektrometer 42 aufgenommene Spektrum wird einer Steuereinheit 43 zugeführt, wo das Verhältnis der Leistungsdichten der jeweiligen Hauptmode zu der Leistungsdichte in den Nebenmoden bestimmt wird. Falls dieses Verhältnis einen vorgegebenen Wert unterschreitet, wird anhand der in einem Speicher 44 abgespeicherte Stabilitätskarte 38 ein benachbarter Stabilitätsbereich 39 gesucht und die Betriebstemperatur und der Betriebsstrom des jeweiligen Lasers 4 oder 5 so verändert, dass der jeweilige Laser 4 oder 5 in den benachbarten Stabilitätsbereich 39 gelangt.
Daneben ist es auch möglich, die Wellenlänge des ersten Lasers 4 oder des zweiten Lasers 5 in der Zeit, in der der erste Laser 4 oder der zweite Laser 5 nicht für die Aufnahme von Speckle-Interferogrammen verwendet wird, gezielt zu verändern, um Speckle-Interferogramme bei verschiedenen Wellenlängen aufnehmen zu können. Aus den bei verschiedenen Wellenlängen aufgenommenen Speckle-Interferogrammen können dann den synthetischen Wellenlängen entsprechende Höhenlinienbilder aufgenommen werden. Zum Beispiel ist es möglich, aus drei Speckle-Interferogrammen, die bei drei verschiedenen Wellenlängen aufgenommen wurden, drei verschiedene Höhenlinienbilder aufzunehmen. Mit Hilfe der verschiedenen Höhenlinienbilder lassen sich auch Sprünge oder besonders steile Bereiche auf der Oberfläche 2 des Messobjektes 3 erfassen.
Es sei angemerkt, dass auch während der Aufnahme eines Speckle-Interferogramms die Stabilität des jeweils verwendeten Lasers 4 oder 5 überwacht werden kann, indem beispielsweise ein Teil des Referenzstrahls 18 zu einem Spektrometer ausgekoppelt wird. Für das Spektrometer selbst kommen die verschieden Ausführungsformen, zum Beispiel Spektrometer auf der Basis eines Fabry-Perot-Interferometers oder eines Fizeau-Interferometers, in Frage. Neben Spektrometern können auch Wellenlängen-Messgeräte eingesetzt werden, die das Vorhandensein von Licht bei einer bestimmtem Wellenlänge überprüfen.
Weiterhin ist es möglich, die aufgenommenen Speckle-Interferogramme einer zweidimensionalen Fouriertransformation zu unterziehen. Wenn Licht nur in einer Hauptmode emittiert wird, zeigt die Fouriertransformierte des Speckle-Interferogramms eine charakteristische Verteilung der Maxima. Wenn diese charakteristische Verteilung fehlt, kann davon ausgegangen werden, dass der Diodenlaser keine kohärente Strahlung emittiert. Anstelle eines gesonderten Spektrometers kann somit auch das vom Detektor 26 erfasste Speckle-Interferogramm zur Beurteilung des Betriebszustands der Diodenlaser herangezogen werden.
Ferner sei darauf hingewiesen, dass die Stabilisierung eines Diodenlasers mit Hilfe einer vorab aufgenommenen Stabilitätskarte auch bei anderen Arten von Lasern, Interferometern oder interferometrischen Messungen verwendet werden kann.

Claims

Vorrichtung zur Stabilisierung einer kohärente Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (4, 5) mit – einem mit der Strahlung beaufschlagbaren Sensor (42); und – einer Steuereinheit (43), die aus vom Sensor (42) gelieferten Messwerten einen Ist-Wert bestimmt und durch die ein Betriebsparameter der Strahlungsquelle (4, 5) zum Einstellen des Ist-Werts auf einen Soll-Wert veränderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (43) für den Betriebsparameter der Strahlungsquelle (4, 5) in einer Speichereinheit (44) gespeicherte vorbestimmte Werte auswählt, durch die der Ist-Wert der Strahlung auf den Soll-Wert einstellbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor ein Spektrometer (42) ist und der Ist-Wert der Strahlung ein Verhältnis von Strahlungsintensität in der Hauptmode zur Strahlungsintensität in den Nebenmoden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor der Detektor (25, 26) ist und die Steuereinheit (42) den Ist-Wert durch Auswerten des vom Detektor (25, 26) aufgenommenen Interferenzbilds bestimmt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (4, 5) ein Halbleiterdiodenlaser ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit (43) den Betriebsstrom und die Betriebstemperatur des Halbleiterdiodenlasers einstellt.
Verfahren zur Stabilisierung einer kohärente Strahlung emittierenden Strahlungsquelle (4, 5) mit den Verfahrensschritten: – Erfassen der von der Strahlungsquelle (4, 5) emittierten Strahlung mit Hilfe eines Sensors (42) und erzeugen von Messdaten; – Bestimmen eines für die Strahlung charakteristischen Ist-Werts in einer Steuereinheit (43); und – Ändern eines Betriebsparameters der Strahlungsquelle (4, 5) zum Einstellen des Ist-Wertes in Richtung auf einen Soll-Wert, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Durchführung einer Messung mit der Strahlungsquelle (4, 5) Wertebereiche (39) für den Betriebsparameter der Strahlungsquelle (4, 5) bestimmt werden, in denen der Ist-Wert der Strahlung einen vorgegebenen Grenzwert überschreitet, und dass die Wertebereiche (39) in einer Speichereinheit (44) abgespeichert und von der Steuereinheit (43) während eines mit der Strahlungsquelle (4, 5) durchgeführten Messvorgangs für den Betriebsparameter der Strahlungsquelle (4, 5) Werte aus den gespeicherten Wertebereichen (39) ausgewählt werden.
Interferometer zur Untersuchung von Oberflächen (2) eines Messobjekts (3), dadurch gekennzeichnet, dass das Interferometer eine Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 umfasst.