DE1448552B2 - Optische messvorrichtung zur messung der veraenderungen des optischen weges zwischen einem bezugskanal und einem mess kanal - Google Patents

Description

der Analysator derart ausgebildet, daß dieser die Polarisationsvektoren um +45° und —45' verdreht.

Die Erfindung ist im folgenden unter Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer bekannten optischen Meßvorrichtung der eingangs genannten Art;

F i g. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optischen Meßvorrichtung.

Die in F i g. 1 dargestellte optische Meßvorrichtimg weist zwei optische Verstärker mit selektiver Fluoreszenz a_x und a>, auf. die die gleiche Anregungsquelle haben. Diese beiden optischen Verstärker sind nebeneinander und parallel zueinander angeordnet.

Der optische Verstärker mit selektiver Fluoreszenz O₁ weist zwei halbtransparente Spiegel /H₁ und Wi₁' auf und der optische Verstärker mit ^crlektiver Fluoreszenz α., die beiden Spiegel Wi₂ und Wi₂'. Die beiden fest angeordneten Spiegel Wi₁ und Ht₁' bilden einen optischen Bezugskanal. Mittels eines Spiegels Af und eines halbversilberten Blättchens L werden die Wellensysteme der beiden optischen Verstärker mit selektiver Fluoreszenz vor dem Auftreffen auf die photoelektrische Zelle C parallel gemacht.

Jede Veränderung ΛI des Abstandes der Spiegel Wi₂ und W₂' erzeugt eine Veränderung bf der Frequenz des optischen Verstärkers mit selektiver Fluoreszenz, und demzufolge tritt am Ausgang der PhotozelL C eine Frequenzschwebungi/ auf.

Es ist bekannt, daß ein optischer Verstärker mit selektiver Fluoreszenz aus einem Verstärkungsmedium des Lichtes besteht, welches einem Resonanzraum zugeordnet ist, der zwei Spiegel aufweist, zwischen denen das selektiv fluoreszierende Material angeordnet ist. Das Verstärkungsmedium kann ein Gas sein, welches durch eine elektrische Entladung angeregt ist. Es wird das Licht verstärkt, dessen Frequenz einmal von der selektiv fluoreszierenden Substanz abhängt und von der Art der Entladung. Das Frequenzband J / hat die Größenordnung von / = 3 ■ 10" Hz. Solange die Verstärkung beim Durchgang des Lichtes im Verstärkungsmedium die DiffraktionsVerluste oder die Retlexionsverluste an den beiden Spiegeln kompensiert, kann die Vorrichtung als optischer Verstärker mit selektiver Fluoreszenz arbeiten, und zwar im Frequenzband f ± bf. Die genaue Schwingungsfrequenz wird durch die Form und durch die Abmessungen des optischen Raumes bestimmt, der seine Eigenresonanzzustände aufprägt.

Im Falle eines Hohlraumes, wie er in F i g. 1 gezeigt ist, entsprechen diese Eigenresonanzen derartigen Frequenzen, daß der Abstand / zwischen den beiden Spiegeln/η,, in,' einer fast ganzen Anzahl von Halbwellenlängen entspricht:

Daraus folgt, daß für den gleichen Hohlraum die Frequenzen der aufeinanderfolgenden Eigenresonanzen voneinander durch den Wert

2/

getrennt sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist, woraus sich für / =-. 50 cm, df = 300 MHz ergibt. Die Größe des Resotianzbandes des Hohlraumes liegt in der Größenordnung von Megahertz, wenn die beiden Spiegel ein großes Reflexionsvermögen haben. Diese große Schärfe oder Feinheit der Linien ermöglicht eine Messung der Veränderungen der Frequenz der emittierten optischen Welle mit einer großen Genauigkeit. Diese Frequenzänderungen sind mit den Änderungen des optischen Weges, der die beiden Spiegel trennt, durch die Beziehung

miteinander verbunden.

Eine Veränderung öl von 1 Angström in einem optischen Verstärker mit selektiver Fluoreszenz mit einer Länge von 50 cm erzeugt eine Frequenzänderung von

bf = 60.,Hz.

Eine Veränderung 61 des optischen Weges Wi₂ in,' des zweiten optischen Verstärkers mit selektiver Fluoreszenz drückt sich in einer Veränderung!)/ der Frequenz des elektrischen Signals der Photozelle C aus.

Eine derartige Vorrichtung weist dennoch bestimmte Nachteile auf:

a) Die thermischen und mechanischen Schwankungen beeinflussen den optischen Bezugskanal AH₁ Wi₁' und den optischen Meßkanal Hi₂ wi.,' in unterschiedlicher Weise, da diese Kanäle physikalisch verschieden sind;

b) die relative parallele Lage der Wellenflächen der beiden optischen Verstärker mit selektiver Fluoreszenz muß mit einer großen Genauigkeit eingestellt werden, da die Photozelle C mischt (in der Größenordnung von 5 · 10~⁵ Rad).

Die erfindungsgemäße optische Meßvorrichtung, die in F i g. 2 dargestellt ist, schaltet größtenteils den ersten Nachteil aus und den zweiten Nachteil vollständig.

Die in F i g. 2 dargestellte Vorrichtung weist einen einzigen optischen Verstärker mit selektiver Fluoreszenz α auf, der zwischen einem einzigen festen halbtransparenten Spiegel JV auf der einen Seite und zwischen zwei Spiegeln M₁' und M₂ auf der anderen Seite angeordnet ist.

Zwischen dem optischen Verstärker mit selektiver Fluoreszenz α und den Spiegeln M₁' und M₂' ist eine Strahlenteileinrichtung D angeordnet, welche zwei WeI-i«r... voneinander trennt, die unterschiedliche um 90° zueinander versetzt orientierte Polarisationen £," und E₁ aufweisen. Die Strahlenteileinrichtung D richtet einen Wellenzug auf den Bezugsspiegel Af₁' und den anderen auf den verschiebbaren Spiegel M₂. Zwischen der Photozc'le C und dem Spiegel N ist. ein Analysator 4 angeordnet, der zu den beiden Polarisationsrichtungen E₁ und E₁ unter einem Winkel von 45° orientiert ist.

Die Betriebsweise dieser Vorrichtung ist die folgende: Die Strahlenteileinrichtung D trennt die Wellen

der gekreuzten Potorisationseinrichtungenj E₁ und E₁ und führt einen Wellenzug zum Bezugsspiegel AZ₁', der fest steht, und den anderen Wellenzug zum Meßspiegel Af₂', mit welchem man die Verschiebungen eines mit ihm verbundenen Gegenstandes messen kann.

Es werden auf diese Weise in der optischen Meßvorrichtung zwei stationäre Wellensysteme ausgebildet, die im Bereich N-D überlagert sind und die zwischen D und drn Spiegeln M₁' und Af₂' getrennt sind. Diese

Systeme stehender Wellen sind, was die Frequenz betrifft, voneinander unabhängig, da sich diese Systeme auf polarisierte Wellen beziehen, deren Polarisationsrichtungen senkrecht zueinander stehen. Es besteht keinerlei Kopplung zwischen den beiden Wellen des Systems.

Die Frequenz des ersten Systems hängt vom optischen Weg N-M₁' ab und die des zweiten Systems vom optischen Weg N-M₂'. Am Ausgang des Systems bei N haben die beiden Wege parallele Wellenflächen, da der Spiegel N im wesentlichen eine Wellenoberfläche für die beiden Systeme bildet.

Diese Wellen sind im wesentlichen senkrecht zueinander polarisiert und körnen in der Zelle C ein Schvvebungssignal erzeugen, wenn deren Polarisationen parallel gemacht sind, und es ist ein Analysator A vorgesehen, der die beiden Polarisationsvektoren unter 45° orientiert.

Der Strahlenteiler D kann irgendeine an sich bekannte optische Einrichtung sein.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

tV

Claims (6)

1 2 Bei einer bekannten Vorrichtung sind zwei optische Patentansprüche: Verstärker mit selektiver Fluoreszenz (Laser) parallel nebeneinander angeordnet, und diese beiden optischen

1. Optische Meßvorrichtung zur Messung der Verstärker sind der gleichen Anregungslichtquelle aus-Veränderungen des optischen Weges zwischen 5 gesetzt.

einem Bezugskanal und einem Meßkanal unter Der optische Bezugskanal und der Meßkanal sind Verwendung von optischen Verstärkern mit selek- hier physikalisch voneinander getrennt und thermische tiver Fluoreszenz, wobei im optischen Bezugskanal und mechanische Schwankungen beeinflussen diese zwischen zwei fest angeordneten Spiegeln ein erstes Kanäle unterschiedlich, so daß sich schädliche Meßstationäres Wellensystem und im optischen Meß- io abweichungen ergeben können. Weiterhin weist diese kanal zwischen einem festen Spiegel und einem bekannte Meßvorrichiung den Nachteil auf, daß vor anderen Spiegel ein zweites stationäres Wellen- dem Auftreffen auf die Meßvorrichtung, die die Fres"stem ausgebildet wird und wobei mit einer Meß- quenz der Schwebungen mißt, die relative parallele einrichtung die Frequenz der Schwebungen zwi- Lage der Lichtwellenfläche der beiden optischen Versehen den beiden einander überlagerten Wellen- 15 stärker mit großer Genauigkeit eingestellt werden muß. systemen gemessen wird, dadurch gekenn- Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine ze i eh η e t, daß ein einziger optischer Verstärker Meßvorrichtung der genannten Art zu schaffen, bei mit selektiver Fluoreszenz (a) zwischen einem der die beiden optischen Kanäle nicht durch thermische festen halbtransparenten Spiegel (N) und einer und mechanische Schwankungen unterschiedlich be-Strahlenteileinrichtung (D) angeordnet ist, welche 20 einflußt werden, sowie besondere Einrichtungen zur zwei Wellen, die unterschiedliche um 90⁼ zuein- genauen Einstellung der Parallelität der Wellenflächen ander versetzt orientierte Polarisationen (E₁, E₁) der beiden Wellensysteme vor deren Überlagerung aufweisen, voneinander trennt und den einen nicht erforderlich sind.

Wellenzug auf den Bezugsspicgel (M₁') und den Erfindungsgemäi/ wird dies dadurch erreicht, daß

anderen Wellenzug auf den Meßspiegel (M₂) 25 ein einziger optischer Verstärker mit selektiver Fluores-

richtet, und daß zwischen dem festen Spiegel (N) zenz zwischen einem festen halbtransparenten Spiegel

und der Frequeiizmeßeinrichtung (C) ein Analy- und einer Strahlenteileinrichtung angeordnet ist, welche

sator (A) anf-ordnet ist, der die beiden Polari- zwei Wellen, die unterschiedliche um 90^c zueinander

sationsvektoren (e[. £J) parallel macht. versetzt orientierte Polarisationen aufweisen, vonein-

2. Optische Meß.orrichtung nach Anspruch 1, 30 ander trennt und den einen Wellenzug auf den Bezugsdadurch gekennzeichnet, daß de^r Meßspiegel (M₂) spiegel und den anderen Wellenzug auf den Meßein verschiebbarer Spiegel ist, dessen Verschiebung spiegel richtet, und daß zwischen dem festen Spiegel die Änderung des optischen Weges erzeugt. und der Frequenzmeßeinrichtung ein Analysator an-

3. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 1, geordnet ist, der die beiden Polarisationsvektoren dadurch gekennzeichnet, daß zur Veränderung des 35 parallel macht.

optischen Weges zwischen der Strahlenteilerein- Dadurch werden nicht nur die eingangs genannten

richtung (D) und dem Meßspiegel (M₂') ein Licht- Mängel der bekannten Vorrichtung vermieden, sondern

brechungsblättchen eingesetzt ist. dessen Br°chungs- es ist auch eine sehr genaue Messung möglich, wobei

index von dem der Umgebung verschieden ist. die kleinste feststellbare Abweichung des optischen

4. Optische Meßvorrichtung nach Anspruch 3, 40 Weges in der Größenordnung von 10~^I2cm liegt. Die dadurch gekennzeichnet, daß der Meßspiegel (M₂) erfindungsgemäße Vorrichtung ist ferner nicht nur zur ein fester Spiegel ist. Verschiebungsmessung von bewegten Gegenständen

5. Optische Meßvorrichtung nach einem der An- geeignet, sondern ermöglicht auch die Messung des sprüche 1 bis 4. dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindex einer !substanz, die zwischen der Meßeinrichtung zur Messung der Frequenz der 45 Strahlenteileinrichtung und dem Meßspiegel ange-Schwebungen eine photoelektrische Zelle (C) ist. ordnet ist.

6. Optische Meßvorrichtung nach einem der An- Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Meßsprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sp'egel beweglich, und die Verschiebung dieses Meß-Analysator (A) derart ausgebildet ist, daß dieser spiegeis dient zur Veränderung des optischen Weges, die beiden Polarisationsvektoren (E₁, Ej um *■) In einfacher Weise kann der Meßspiegel beispielsweise + 45" und —45° dreht. mit einem sich bewegenden Gegenstand verbunden

werden, und auf diese Weise können sehr genau die von dem Gegenstand zurückgelegten Wege gemessen

werden.

55 Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist in dem optischen Bezugskanal zur Ver-

Die Erfindung betrifft eine optische Meßvorrichtung änderung des optischen Weges ein Lichtbrechungszur Messung der Veränderungen des optischen Weges blättchen eingesetzt^ dessen Brechungsindex sich von zwischen einem Bezugskanal und einem Meßkanal dem der Umgebung unterscheidet. Dadurch kann die unter Verwendung von optischen Verstärkern mit 60 Vorrichtung auch zur Messung des Brechungsindex selektiver Fluoreszenz, wobei im optischen Bezugs- einer Substanz, die beispielsweise zwischen der Strahkanal zwischen zwei fest angeordneten Spiegeln ein lenteileinrichtung und dem Meßspiegel angeordnet ist, erstes stationäres Wellensystem und im optischen Meß- verwendet werden. In diesem Fall ist in vorteilhafter kanal zwischen einem festen Spiegel und einem anderen Weise der Meßspiegel ein fester Spiegel, Spiegel ein zweites stationäres Wellensystem ausgebil- 65 Bei einer bevorzugten AusfUhrungsform ist die Bindet wird und wobei mit einer Meßeinrichtung die Fre- richtung zur Messung der Frequenz der Schwebungen quenz der Schwebungen zwischen den beiden einander eine Photozelle, überlagerten Wellensystemen gemessen wird. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist