DE19707773C2

DE19707773C2 - Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen der Phasendifferenz zwischen interferierenden Strahlen

Info

Publication number: DE19707773C2
Application number: DE1997107773
Authority: DE
Inventors: Johannes Roths; Igor Koltchanov
Original assignee: Kayser Threde GmbH
Current assignee: Kayser Threde GmbH
Priority date: 1997-02-26
Filing date: 1997-02-26
Publication date: 2000-05-25
Anticipated expiration: 2017-02-27
Also published as: DE19707773A1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung und ein Meßverfahren zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz von interferierenden Strahlen. Mit einer derartigen Meßvorrichtung und einem derartigen Meßverfahren können optoelektronische Meßsysteme realisiert werden, die so aufgebaut sind, daß die zu messende Größe, beispielsweise eine Abstands-, Brechzahl-, Temperatur- oder Druckänderung eines Meßobjekts, eine Phasendifferenzänderung zwischen zwei interferierenden Strahlen bewirkt. Die Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen liefert also indirekt das Meßergebnis über die eigentliche physikalische Meßgröße. Ein typisches Beispiel ist die Messung der Abstandsänderung eines reflektierenden Meßobjekts, auf das ein Meßstrahl einfällt und der reflektierte Strahl mit einem Referenzstrahl zur Interferenz gebracht wird. Die Erfindung ist auf sämtliche Meßsysteme anwendbar, bei denen für den Meßvorgang zwei elektro magnetische Wellen zur Interferenz gebracht werden und die Phasendifferenz zwischen beiden Wellen ausgewertet werden muß. Gegenstand der Erfindung ist ein spezielles Prinzip zur Bestimmung der Phasendifferenz.

STAND DER TECHNIK

Nachstehend werden einige herkömmliche Meßsysteme beschrieben, bei denen eine Änderung der Meßgröße eine Änderung der Phasendifferenz zwischen interferierenden Meßstrahlen bewirkt und diese Phasenänderung ausgewertet wird. Dies wird beispielhaft anhand von Abstandsänderungs- Meßsystemen beschrieben.

Michelson-Interferometer mit Doppler-Heterodyn-Verfahren

Interferometrische Abstandsänderungsmeßsysteme mit einer Michelson-Anordnung, die auf dem Zählen der Interferenzmaxima und -minima basieren, wurden bereits kurz nach der Einführung des Lasers beschrieben. Eine Verbesserung der Signalgewinnung und -auswertung konnte mit dem Doppler-Heterodyn-Verfahren erzielt werden, das u. a. eine Steigerung der Auflösung und eine Erkennung der Bewegungsrichtung erlaubt, wie z. B. in US 4688940 beschrieben. Seither sind diese Doppler-Heterodyn- Verfahren weit verbreitet. Sie erfordern Laserquellen, die gleichzeitig auf zwei, um einige MHz benachbarten Frequenzen mit orthogonal zueinander stehender linearer Polarisation emittieren. Dies wird durch eine Zeeman-Aufspaltung oder den Einsatz eines akustooptischen Modulators (AOM) erreicht, wie dies beispielhaft in Fig. 10 dargestellt ist.

Der akustooptische Modulator AOM, der mit einem elektrischen Signal der Frequenz Ω angeregt wird, erzeugt eine Aufspaltung des Laserstrahls in zwei Anteile mit den optischen Frequenzen ω₁, ω₂, wobei gilt ω₂ - ω₁= Ω. Deren lineare Polarisationsebenen stehen orthogonal zueinander, wodurch ein polarisierender Strahlteiler PBS eine räumliche Aufteilung beider Frequenzanteile in den Referenz- und Meßzweig dieser Michelson-Anordnung durchführt. Nach Reflexion an dem Referenzreflektor bzw. dem Meßobjekt werden beide Strahlen durch den Strahlteiler PBS wieder überlagert und an dem Polarisator werden beide Polarisationsebenen auf eine gemeinsame Ebene projiziert. Die interferierenden Strahlen werden mit dem Photodetektor PD erfaßt und erzeugen ein Schwebungssignal der Frequenz ω₂ - ω₁. Führt nun das Meßobjekt eine Abstandsänderung durch, so bewirkt dies eine Doppler-Verschiebung der Frequenz des reflektierten Strahles auf die Frequenz ω'₂, die dann auf die Schwebungsfrequenz ω'₂ - ω₁ übertragen wird und durch eine konventionelle elektronische Phasenmessung von dem Phasenmesser PV erfaßt werden kann.

Der Nachteil eines derartigen Meßsystems besteht jedoch darin, daß der Aufbau viele aufwendige optische Einzelkomponenten benötigt, beispielsweise einen akusto optischen Modulator oder einen Zeeman-aufgespaltenen HeNe- Laser in Kombination mit einem polarisierenden Strahlteiler. Derartige Meßsysteme sind groß und unhandlich und erfordern insbesondere eine aufwendige Justierung, was zu hohen Systempreisen führt.

Halbleiterlaser-Interferometer mit mehreren Detektoren

Außer dem Doppler-Heterodyn-Verfahren, bei dem zwei Strahlen mit unterschiedlichen optischen Frequenzen mit orthogonal zu einander stehenden Polarisationsebenen erzeugt werden müssen, existieren ferner kompakte Laserinterferometer zur Abstandsmessung mit Halbleiterlasern, die zur Detektion der Phase der interferierenden Welle mehrere Detektoren verwenden, wie in Boehnel, H.-J., Höfler, H., "Miniaturisiertes Halbleiterlaser-Inteferometer für die industrielle Wegmessung"; Technisches Messen, Vol. 52, No 9, Seiten 321-326 (1985); und in Ulbers, G., "Integriert optische Sensoren für die Weg-, Kraft- und Brechungsindexmessung auf der Basis von Silizium", Technisches Messen, Vol. 58, No 4, Seiten 140-151 (1991) beschrieben ist. Die Detektoren sind dabei so angeordnet, daß sie die interferierenden Wellen mit einem festen Gangunterschied, z. B. von der halben Wellenlänge, erfassen.

Der Nachteil hierbei besteht jedoch darin, daß diese Verfahren aufgrund der Gleichstrom-gekoppelten Intensitätsmessung sehr anfällig für Drifterscheinungen sind, beispielsweise bei einer Änderung der Aufteilung der optischen Leistung auf beide Detektoren aufgrund einer Änderung der Systemjustage.

Halbleiterlaser-Interferometer mit Modulationsverfahren

Um die Driftproblematik und die Stabilitätsprobleme teilweise zu umgehen, existieren Homodyn-Verfahren, bei denen eine Frequenzmodulation des ausgesendeten Laserlichts eingesetzt wird. Das Signal der auf den Photodetektor auftreffenden interferierenden Strahlen besteht dann aus einem Spektrum von Frequenzen, die die fundamentale Grundfrequenz und deren Harmonische umfaßt. Durch parallele Filterung von zwei verschiedenen Harmonischen wird die Phasendifferenz zwischen den interferierenden Wellen bestimmt, wie in Dandridge A. Tveten, A., B., und Giallorenzi, Th., G., "Homodyne demodulation scheme for fiber optic sensors using phase generated carrier", IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-18, No. 10, Seiten 1647-1653 (1982), beschrieben ist. In diesem Fall können die Detektorsignale zwar kapazitiv gekoppelt werden, jedoch verbleibt trotz der Modulation die Driftproblematik, da beispielsweise eine Änderung des Verstärkungsfaktors in einem der parallelen Verstärkungs- und Mischkanäle für einen der beiden Harmonischen, ebenfalls zu einer falschen Phasenauswertung führen kann.

Darüberhinaus erfordert die Extraktion und Verarbeitung der beiden Harmonischen einen komplizierten und kostenaufwendigen Aufbau.

In der DE 43 06 884 A1 wird eine Anordnung eines Interferometers, vorzugsweise unter Verwendung einer Laserdiode beschrieben, die auf einem Phasenmodulator beruht. Der Phasenmodulator wird dabei mit einem einfachen Sinus-Signal angesteuert. Das Interferenzsignal am Ausgang des Detektors wird mit einem harmonischen Mischsignal, das phasenstarr mit dem Steuersignal des Phasenmodulators gekoppelt ist und dessen Frequenz in einem bestimmten Verhältnis zur Frequenz des Phasenmodulator-Steuersignals steht, multipliziert, wozu ein zusätzlicher Mischbaustein in der Signalauswerteelektronik benötigt wird.

Laservibrometer mit Frequenzmodulation

Aus der DE 195 22 272 A1 ist ein Laservibrometer bekannt, das unter Ausnutzung der Frequenzmodulation eines Lasers, bevorzugt einer Laserdiode mit einer Sägezahnstrommodulation, und einem Michelson-Interferometer mit ungleichen Armlängen, während der Flanke des Sägezahnsignals ein Schwebungssignal erzeugt.

Bei diesem Ein-Ton-Modulationsverfahren ist die Frequenz des Schwebungssignals nicht ausschließlich von der Frequenz des Strommodulators, sondern u. a. von der Armlängendifferenz des Michelson-Interferometers und damit vom Abstand zwischen Laservibrometer und Meßobjekt abhängig. Damit gestaltet sich die Auswerteelektronik aufwendig.

Self Mixing Interference (SMI)

Fig. 11 zeigt das Schema eines anderen Interferometertyps, basierend auf dem Self-Mixing-Interference-Effekt (SMI) am Beispiel eines Diodenlasers, es ist aber allgemein für jeden Lasertyp gültig. In Fig. 11 wird ein Teil der im Laserresonator befindlichen Strahlung aus der Laserdiode LD als Meßstrahl M emittiert und erreicht über den Weg L das Meßobjekt. Von dessen Oberfläche reflektiert, gelangt die Strahlung als Empfangsstrahl E über den gleichen Weg zurück in den Laserresonator, in dem sie sich kohärent mit dem anderen Teil des Strahlungsfelds, das direkt von der Endfläche der Laserdiode reflektiert wurde und hier als Referenzstrahl R dient, überlagert. Es wurde bereits beobachtet und beschrieben (z. B. in Dandridge, A., Miles, R. O., Giallorenzi, T. G., "Diode laser sensor", Electronic Letters, Bd. 16, Nr. 25, 948-949 (1980); W. M. Wang, W. J. O. Boyle, K. T. V. Grattan und A. W. Palmer: "Self-mixing interference in a diode laser: experimental observations and theoretical analysis", Applied Optics, Bd. 32, Nr. 9, 1551- 1558 (1993)), daß eine Phasenänderung Δ_ϕ _ext des rückgekoppelten Lichtes, beispielsweise durch eine Abstandsänderung des Meßobjektes um ΔL, eine Änderung der Leistung bewirkt, die mit einem Detektor PD beobachtet werden kann, der einen Teil Laser-Ausgangsleistung erfaßt. Dieses Meßprinzip wird als "Laser-Selbstüberlagerung" (Self Mixing Interference) bezeichnet.

Der Einfluß der Interferenz auf den Arbeitspunkt des Lasers kann bei der mathematischen Beschreibung der Laserbedingungen so betrachtet werden, daß die Reflektivität r₂ (bezogen auf die Amplitude) des betreffenden Endspiegels der Laserkavität durch eine effektive Reflektivität r₂ ^eff des Systems "Endfläche der Laserdiode + Meßobjekt" ersetzt wird, wobei nun r₂ ^eff von der Phasendifferenz ϕ_ext zwischen dem Empfangsstrahl E und dem Referenzstrahl R am Punkte der Überlagerung abhängig ist. Dabei gilt,

ϕ_ext = ωτ = 2ωL/c = 2π2L/λ. (1)

Hierbei bezeichnet ω die Emissionsfrequenz des Lasers, λ die Wellenlänge der Laserstrahlung, c die Lichtgeschwindigkeit und τ = 2L/c die Umlaufzeit des Lichts außerhalb des Laserresonators.

Da die Reflektivität r₂ ^eff, sowohl die Lasergüte als auch die Phasenbedingung für das Lasing bestimmt, hängen die Ausgangsleistung P, die Emissionsfrequenz ω und die spektrale Linienbreite δω ebenfalls von der Phasendifferenz ϕ_ext ab. Diese ändert sich jedoch bei der Bewegung des Meßobjekts, so daß letztlich eine Abstandsänderung ΔL von der halben Wellenlänge λ/2 einer ganzen Periode der Phasenänderung von 2π entspricht.

Infolge dessen zeigt also die Änderung der Laserparameter, insbesondere die mit einem Photodetektor PD am einfachsten zu messenden Laserintensität, eine gleiche Periodizität. Der Photodetektor erfaßt bei einem Self-Mixing-Interferometer somit nicht die interferierenden Strahlen selbst, vielmer erfaßt er eine Auswirkung der Interferenz auf die Lasereigenschaften. In der Literatur ist beschrieben (W. M. Wang, K. T. V. Grattan, A. W. Palmer, and W. J. O. Boyle, IEEE J. Lightwave Tech. 12, 1577-1587 (1994)), daß die beobachtete Laserintensitätsänderung in Abhängigkeit von ϕ_ext annähernd die Form eines Sägezahnes besitzt. Werden die Intensitätsänderungen, z. B. mit Hilfe einer Monitor- Photodiode PD, elektrisch ausgewertet und anschließend durch das Zählen der Intensitätsspitzen bearbeitet, so kann dadurch die Abstandsänderung ΔL bestimmt werden.

Obwohl sich die in Fig. 11 gezeigte SMI-Anordnung natürlich durch einen kompakten, einfachen und kostengünstigen Aufbau auszeichnet, bestehen auch bei diesem Aufbau Nahteile. Ein wichtiger Nachteil ist der, daß die am Photodetektor beobachtete Änderung der Laserleistung unabhängig von der Richtung der Abstandsänderung (auf die Laserdiode LD hin oder davon weg) das gleiche Vorzeichen aufweisen kann, so daß die Bewegungsrichtung daraus nicht erkannt werden kann. Darüberhinaus ist bekannt, daß eine optische Rückkopplung in einen Laser, je nach der Stärke der Rückkopplung, die spektralen Eigenschaften des Lasers, wie z. B. die Anzahl der aktiven Lasermoden, beeinflußt und zu Instabilitäten führt (K. Petermann, "External Optical Feedback Phenomena in Semiconductor Lasers" IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, Bd. 1, 480-489, (1995)). Ist dies der Fall, so ist das System für eine interferometrische Meßanwendung unbrauchbar. Daher muß die Stärke der Rückkopplung stets unter einer gewissen Grenze gehalten werden. Diese Grenze ist dadurch gegeben, daß die Einmodigkeit des Diodenlasers durch die optische Rückkopplung nicht zerstört werden darf. In K. Petermann, 'Laser diode modulation and noise', Kluwer, 1991, ist beschrieben, unter welchen Bedingungen die Einmodigkeit des Diodenlasers trotz der optischen Rückkopplung bewahrt bleibt.

In den bisher beschriebenen Untersuchungen zur Laser- Selbstüberlagerung war die durch die Interferenz hervorgerufene Intensitätsänderung klein, bezogen auf die Gesamtintensität. Daher ist das SMI-Signal sehr empfindlich gegenüber Drifterscheinungen der Laserintensität.

SMI-Verfahren mit Bewegungsrichtungserkennung

Aus der DE 39 17 388 C1 ist neben der Ausnutzung der Sägezahnform der Laserintensitätsänderung ein Meßverfahren bekannt, bei dem der Diodenstrom eines Halbleiterlasers mit einem Dreiecksignal moduliert wird und somit eine Vorzeichenerkennung bei einer Abstandsänderung ermöglicht wird. Dieses Verfahren benötigt jedoch eine sehr komplizierte Signalverarbeitung, da es während einer Flanke der Dreiecksmodulation eine aufgrund der Interferenz erzeugten Leistungsänderung des Halbleiterlasers erkennen und zählen muß, wobei aufgrund der Modulation selbst eine Änderung der Laserintensität hervorgerufen wird.

Obwohl hier eine Vorzeichenerkennung (Bewegungsrichtungserkennung) ermöglicht wird, besteht jedoch der wesentliche Nachteil darin, daß natürlich die durch die Interferenz erzeugte Leistungsänderung von einer durch die Dreiecksmodulation hervorgerufenen Leistungsänderung sicher unterschieden und registriert werden muß.

Optisches Gyroskop

In der US 4 545 682 ist ein optisches Gyroskop beschrieben, das unter Verwendung einer amplitudenmodulierten Lichtquelle mit dem Verfahren der Phasennullung arbeitet und dadurch eine sehr hohe Meßgenauigkeit erzielt. Neben der Amplitudenmodulation der Lichtquelle ist bei dieser Anordnung noch ein zusätzlicher externer optischer Phasenmodulator, der in einem Zweig vor der Lichtleitfaserspule angeordnet ist, notwendig.

AUFGABE DER ERFINDUNG

Aufgabe der Erfindung ist es somit,

- eine Meßvorrichtung und ein Meßverfahren bereitzustellen, mit denen die Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext zwischen interferierenden Meßstrahlen mit einem einfachen, miniaturisierbaren und kostengünstigen Aufbau, z. B. als Mikrosystem, bestimmt werden kann, wobei gleichzeitig eine hohe Meßstabilität und Meßgenauigkeit bereitgestellt wird.

LÖSUNG DER AUFGABE UND ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext von interferierenden Strahlen umfassend:

- eine Sendeeinrichtung (16) zum Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und zum Aussenden des Meßstrahls;
- eine Überlagerungseinrichtung (16) zum Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag Δϕ hervorgeht, mit dem Referenzstrahl;
- eine Detektoreinrichtung zur Erfassung der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl und zum Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals, das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt;
- eine Modulationseinrichtung (16), mit der die Frequenz von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl moduliert werden kann, mit einem Modulationsspektrum, daß durch ein von außen vorgegebenes elektrisches Modulationssignal (MS) bestimmt wird;
- einen Modulationssignalgenerator (6) zur Erzeugung des Modulationssignals (MS) mit einem Modulationssignalspektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i (i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese phasenstarr gekoppelt sind;
- eine Filtereinrichtung (8), welche das elektrische Detektorsignal filtert, und eine Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, wobei n eine natürliche Zahl ungleich null ist, extrahiert,
- wobei n und die Frequenzen (Ω_i = n_iΩ) der mindestens zwei Komponenten des Modulationsignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F = Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist und
- eine Phasenbestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext zwischen der von der Filtereinrichtung gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F.

Ferner wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext von interferierenden Strahlen, umfassend die folgenden Schritte:

- Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und Aussenden des Meßstrahls mittels einer Sendeeinrichtung (16);
- Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit den Referenzstrahl (R) mittels einer Überlagerungseinrichtung (16);
- Erfassen der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl, und Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt, mittels einer Detektoreinrichtung (16);
- Modulieren der Frequenz von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) mit einem Modulationssignal mit einem Spektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(1 = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und phasenstarr zueinander gekoppelt sind, mittels einer Modulationseinrichtung (16);
- Filtern des elektrischen Detektorsignals (IS), und Extrahieren einer Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, wobei n eine natürliche Zahl ungleich null ist, mittels einer Filtereinrichtung (8);
- wobei n und die Frequenzen Ω_i der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F = Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
- Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz (ϕ_ext) der interferierenden Strahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz (ϕ_ext) zwischen der von der Filtereinrichtung (8) gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F, mittels einer Phasenbestimmungseinrichtung (10).

Die Aufgabe wird auch gelöst durch eine Vorrichtung zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext von interferierenden Strahlen umfassend:

- eine Sendeeinrichtung (16) zum Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und zum Aussenden des Meßstrahls;
- eine Überlagerungseinrichtung (16) zum Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit dem Referenzstrahl;
- eine Detektoreinrichtung (16) zur Erfassung der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl, und zum Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt;
- eine Modulationseinrichtung (16-1), mit der Phase von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) moduliert werden kann, mit einem Modulationsspektrum, das durch ein von außen vorgegebenes elektrisches Modulationssignal (MS) bestimmt wird;
- einen Modulationssignalgenerator (6) zur Erzeugung des Modulationssignals (MS) mit einem Modulationssignalspektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese phasenstarr gekoppelt sind;
- eine Filtereinrichtung (8), welche das elektrische Detektorsignal filtert, und eine Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, die ungleich einer der Modulationsfrequenzen Ω_i, und ungleich einer der Obertöne der Modulationsfrequenzen ist, extrahiert,
- wobei n und die Frequenzen (Ω_i = n_iΩ) der mindestens zwei Komponenten des Modulationsignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F = Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
- eine Phasenbestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen dei Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext zwischen der von der Filtereinrichtung gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext von interferierenden Strahlen, umfassend die folgenden Schritte:

- Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und Aussenden des Meßstrahls mittels einer Sendeeinrichtung (16);
- Überlagern eines Empfangsstrahls, der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit dem Referenzstrahl mittels einer Überlagerungseinrichtung (16);
- Erfassen der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl und Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt mittels einer Detektoreinrichtung (16);
- Modulieren der Phase von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) mit einem Modulationssignal mit einem Spektrum, daß aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind, und zueinander phasenstarr gekoppelt sind, mittels einer Modulationseinrichtung (16);
- Filtern des elektrischen Detektorsignals (I_Ω _F) und Extrahieren einer Spektralkomponente IMF bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, die ungleich einer der Modulationsfrequenzen Ω_i und ungleich einer der Obertöne der Modulationfrequenzen ist, mittels einer Filtereinrichtung (8);
- wobei n und die Frequenzen (Ω_i) der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F = Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
- Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext zwischen der von der Filtereinrichtung (8) gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F mittels einer Phasenbestimmungseinrichtung (10).

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Verbesserungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1-1 das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung;

Fig. 1-2 eine Ausführungsform der Meßvorrichtung unter Verwendung eines Halbleiterlasers;

Fig. 2 ein beispielhaftes Spektrum im Ausgangssignal IS der Photodiode PD in Fig. 1-2; bei der Parameterwahl Ω₁ = 2Ω, Ω₂ = 3Ω, Ω_F = Ω.

Fig. 3 den Verlauf des Betrags der Amplituden der Mischprodukte des Spektrums von IS bei der extrahierten Frequenz Ω, aufgetragen als Funktion des Phasenmodulationshubs m₁ für vier verschiedene Verhältnisse der Phasenmodulationshübe m₁ : m₂;

Fig. 4 eine Tabelle, die die Wahl der Modulationsfrequenzen Ω₁, Ω₂ und die geeignete Wahl der Phasenmodulationshübe m₁, m₂ beider Modulationsfrequenzen zeigt;

Fig. 5 ein Beispiel einer Ausführungsform der Meßvorrichtung unter Verwendung eines Halbleiterlasers mit einer Michelson- Interferometer-Anordnung;

Fig. 6 ein Beispiel einer Ausführungsform der Meßvorrichtung unter Verwendung der Laser- Selbstüberlagerung und eines Halbleiterlasermoduls mit integrierter Photodiode;

Fig. 7 eine Ausführungsform der Meßvorrichtung unter Verwendung eines akustooptischen Modulators (AOM) und eines Michelson-Interferometers.

Fig. 8 eine Ausführungsform der Meßvorrichtung, bei der die Phasenbestimmungseinrichtung 10 aus Fig. 1-1, 1-2 mit einer phasenstarren Regelschleife PLL und Zählern 21, 22 aufgebaut ist;

Fig. 9-1,9-2 Anwendungsbeispiele der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung;

Fig. 10 ein Beispiel einer herkömmlichen Meßvorrichtung mit einem Michelson- Interferometer und dem Doppler-Heterodyn- Verfahren, die zur Messung zwei Meßstrahlen ω₁, ω₂ zur Überlagerung bringt;

Fig. 11 ein Diagramm zur Erläuterung des herkömmlichen Laser-Selbstüberlagerungsprinzips.

Überall in den Zeichnungen bezeichnen gleiche oder ähnliche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Komponenten.

Grundprinzipien der Erfindung

Nachstehend wird die Erfindung anhand ihrer Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert, wobei Fig. 1-1 zunächst das der Erfindung zugrundeliegende Meßprinzip erläutert.

Eine Meßvorrichtung in Fig. 1-1 zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext von zwei interferierenden Strahlen E, R, umfaßt: eine Sendeeinrichtung (16) zum Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und zum Aussenden des Meßstrahls; eine Überlagerungseinrichtung (16) zum Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag Δϕ hervorgeht, mit dem Referenzstrahl; eine Detektoreinrichtung (16) zur Erfassung der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl und zum Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals, das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt; eine Modulationseinrichtung (16-1), mit der die Frequenz von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) moduliert werden kann, mit einem Modulationsspektrum, daß durch ein von außen vorgegebenes elektrisches Modulationssignal (MS) bestimmt wird; einen Modulationssignalgenerator (6) zur Erzeugung des Modulationssignals (MS) mit einem Modulationssignalspektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese phasenstarr gekoppelt sind; eine Filtereinrichtung (8), welche das elektrische Detektorsignal filtert, und eine Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, wobei n eine natürliche Zahl ungleich null ist, extrahiert, wobei n und die Frequenzen Ω_i der mindestens zwei Komponenten des Modulationsignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als

I_Ω _F = Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),

und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und eine Phasenbestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz zwischen der von der Filtereinrichtung (8) gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F.

Erfindungsgemäß wird also gemäß Fig. 1-1 ein kohärenter Meßstrahl M verwendet, der von einer Sende- und Empfangseinheit erzeugt wird und als Empfangsstrahl E wieder in die Detektionseinheit gelangt. Innerhalb dieser Einheit wird der Strahl mit einem Referenzstrahl R, der zu den Strahlen M und E kohärent ist, zur Interferenz gebracht. Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren sind nicht auf einen speziellen Typ eines Interferometers begrenzt, vielmehr kann die Vorrichtung und das Verfahren auf alle Interferometertypen (z. B. Michelson-, Mach-Zehnder-, SMI- Interferometer) angewandt werden. ϕ_ext bezeichnet die Phasendifferenz zwischen dem Empfangsstrahl E und dem Referenzstrahl R an dem Punkt der Überlagerung beider Strahlen. Durch eine Änderung der zu messenden Größe, z. B. der geometrischen Länge des Strahles oder des Brechungsindexes eines Mediums, durch das der Meßstrahl geführt wird, erfährt der Strahl eine Verschiebung seiner Phase um Δϕ, was sich somit auch auf die Phasendifferenz ϕ_ext auswirkt Δϕ_ext = Δϕ. Durch eine Messung der Änderung von ϕ_ext kann somit eine Änderung der Meßgröße erfaßt werden.

Erfindungsgemäß enthält die Sende- und Empfangseinrichtung eine Modulationsvorrichtung 16-1, mit der die Phase oder die Frequenz von mindestens einem der Strahlen (Meß- Empfangs- bzw. Referenzstrahl) durch ein Modulationssignal MS, das über einen Modulationseingang von einem Modulationssignalgenerator 6 bereitgestellt wird, moduliert wird. Die genannte Modulation bewirkt eine Modulation der Phasendifferenz zwischen den interferierenden Strahlen. Die Phasendifferenz mit Modulation wird nun mit ϕ'_ext(t) bezeichnet und enthält einen modulationsunabhängigen Anteil ϕ_ext, der nach wie vor die zu bestimmende Größe darstellt, und einen durch die Modulation hervorgerufenen Wechselanteil _ext(t), d. h.

ϕ'_ext(t) = ϕ_ext + _ext(t).

Das Spektrum des Modulationssignals (im weiteren als Modulationsspektrum bezeichnet) wird so gewählt, daß das Spektrum von ϕ'_ext(t) mindestens zwei Spektralkomponenten aufweist, die zueinander verschiedene Modulationsfrequenzen aufweisen und die jeweils das Vielfache einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese ohne Phasenverschiebung phasenstarr gekoppelt sind. Das Modulationssignal mit dem Spektrum wird durch einen Signalgenerator 6 erzeugt, der zusätzlich an einem zweiten Ausgang ein elektrisches Referenzsignal der Form cos(Ω_Ft + (ϕ'₀) bereitstellt, dessen Frequenz Ω_F ebenfalls ein Vielfaches der Bezugsgrundfrequenz Ω darstellt und an diese phasenstarr gekoppelt ist ϕ'₀ = konstant).

Ein Photodetektor PD, der ebenfalls Bestandteil der Sende- und Empfangseinheit 16 ist und der die interferierten Strahlen oder eine Auswirkung der Interferenz detektiert, liefert ein elektrisches Signal, das Interferenzsignal IS, das ein Spektrum besitzt, welches im folgendnen als Interferenzsignalspektrum bezeichnet wird. Eine Filtereinrichtung 8 extrahiert aus dem Interferenzsignalspektrum eine Spektralkomponente mit einer Frequenz Ω_F, die ein Vielfaches der Bezugsgrundfrequenz Ω oder die Bezugsgrundfrequenz selbst ist. Die Amplituden des Modulationsspektrums von ϕ'_ext(t) können, wie nachstehend noch beschrieben, so gewählt werden, daß bei der extrahierten Frequenz Ω_F im Interferenzsignalspektrum erfindungsgemäß ein elektronisches Wechselspannungssignal I_Ω _F entsteht, dessen Phasendifferenz ϕ_IS zu dem Referenzsignal am Referenzausgang des Signalgenerators 6 mit der über eine Modulationsperiode gemittelten Phasedifferenz zwischen den beiden interferierenden Meßstrahlen, ϕ_ext, bis auf eine Konstante identisch ist. Es gilt somit ϕ_ext = ± ϕ_IS + ϕ"₀(ϕ"₀ = konstant). Die Phasendifferenz der elektrischen Signale kann auf einfache Weise z. B. mit einem Phasenmesser, ausgewertet werden. Somit ist die Phasendifferenz der beiden interferierenden Strahlen auf eine Phasendifferenz zwischen zwei elektrischen Signalen übertragen und mit einfachen und bekannten Mitteln meßtechnisch zugänglich.

Während also bei dem erfindungsgemäß vorgeschlagenen Prinzip mit der Modulation mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen eine Spektrallinie in einem elektrischen Signal erzeugt und ausgewertet wird, deren Phasendifferenz zu einem elektrischen Referenzsignal der zu bestimmenden Phasendifferenz ϕ_ext entspricht, müssen bei einem Homodyn- oder Einton- Modulationsverfahren immer zwei Quadraturkomponenten extrahiert werden, deren Frequenzen jeweils gerade und ungerade Vielfache der Modulationsfrequenz sind, so daß immer kostenaufwendige Lock-in-Verstärker oder Hochfrequenzmischer verwendet werden müssen.

Ein weiteres Prinzip der Erfindung basiert auf einer Phasenmodulation, wobei die Meßvorrichtung umfaßt: eine Sendeeinrichtung (16) zum Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und zum Aussenden des Meßstrahls; eine Überlagerungseinrichtung (16) zum Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit dem Referenzstrahl; eine Detektoreinrichtung (16) zur Erfassung der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl, und zum Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt; eine Modulationseinrichtung (16-1), mit der Phase von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) moduliert werden kann, mit einem Modulationsspektrum, das durch ein von außen vorgegebenes elektrisches Modulationssignal (MS) bestimmt wird; einen Modulationssignalgenerator (6) zur Erzeugung des Modulationssignals (MS) mit einem Modulationssignalspektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese phasenstarr gekoppelt sind; eine Filtereinrichtung (8), welche das elektrische Detektorsignal (IS) filtert, und eine Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, die ungleich einer der Modulationsfrequenzen Ω_i, und ungleich einer der Obertöne der Modulationsfrequenzen ist, extrahiert, wobei n und die Frequenzen (Ω_i = n_iΩ) der mindestens zwei Komponenten des Modulationsignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als

I_Ω _F = Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),

und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und eine Phasenbestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz zwischen der von der Filtereinrichtung gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F.

Der Vorteil einer derartigen Meßvorrichtung besteht darin, daß bei Phasenmodulation für alle Gangunterschiede zwischen Empfangs- und Referenzstrahl die Phasenmodulationsamplituden konstant gewählt werden können. Darüber hinaus ist das Signal I_Ω _F zusätzlich frei von Verzerrungen, die bei Nichtlinearitäten in der Modulationseinrichtung bei den Modulationsfrequenzen und deren Obertönen auftreten können.

Ausführungsform 1 unter Verwendung eines Diodenlasers mit Modulation des Injektionsstromes

Fig. 1-2 zeigt ein Grundprinzip der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und des Meßverfahrens unter Verwendung eines Diodenlasers. Als Messung wird ein Beispiel einer Abstandsänderungsmessung des reflektierenden Objektes 4 behandelt. Jedoch ist die Erfindung allgemein auf Meßsysteme anwendbar, bei der eine Meßgrößenänderung die Phasendifferenz zwischen interferierenden Meßstrahlen beeinflußt.

Die Sende- und Empfangseinheit 16 enthält einen Diodenlaser LD, der als Quelle für den Meß- (M) und Referenzstrahl R dient. Die Sende- und Empfangseinheit 16 emittiert den Meßstrahl M, der von einem Objekt 4 in die Sende- und Empfangseinheit 16 zurück reflektiert wird (Empfangsstrahl E). In dieser wird der Strahl E mit einem Referenzstrahl R, der kohärent zu den anderen Strahlen ist und in der Sende- und Empfangseinheit 16 enthalten ist, zur Interferenz gebracht. ϕ_ext ist die Phasendifferenz zwischen Empfangs- und Referenzstrahl am Überlagerungspunkt zwischen Empfangs- und Referenzstrahl. Im Zuge des Meßvorganges, beispielsweise hier eine Abstandsänderung des Spiegels 4 um ΔL, ist diese Phasendifferenz ϕ_ext einer Phasenänderung um Δϕ, unterworfen, wobei gilt,

Δϕ = 2π2ΔL/λ (3a)

und λ die Wellenlänge des Meßstrahls bedeutet.

Unter Verwendung eines Diodenlasers kann bevorzugt durch Modulation des Injektionsstromes unter Verwendung eines Modulationsspektrumsgenerators 6 eine Frequenzmodulation des Laserlichtes erfolgen, da bei einem Diodenlaser bekanntlich eine Änderung des Injektionsstromes eine Änderung der Frequenz des emittierten Laserlichtes zur Folge hat. Der Signalgenerator 6 enthält einen Funktionsgenerator FG, der eine Bezugsgrundfrequenz Ω erzeugt, die in einem Frequenzvervielfacher FV vervielfacht wird, so daß am Eingang der Sende- und Empfangseinheit ein Strom MS mit einem Modulationsspektrum zur Verfügung steht, welches aus mindestens zwei Modulationskomponenten mit zueinander verschiedenen Modulationsfrequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die eine feste Phasenbeziehung zur Grundfrequenz Ω haben und die verschiedene Vielfache der Grundfrequenz Ω sind. Der Modulationsstrom kann innerhalb von 16 mit einem Gleichstrom-Anteil des Injektionsstromes zu einem Gesamt- Injektionsstrom addiert werden. Eine Modulationsamplituden- Einstelleinrichtung MAEE stellt die Strommodulationsamplituden ΔI_i und damit die Frequenzmodulationshübe Δω_i der Modulationskomponenten ein. Für den Frequenzmodulationshub Δω_i der einzelnen Modulationsfrequenzen gilt,

Δω_i = ΔI_idω/dI, (3b)

wobei dω/dI die Strom-Abstimmrate der Laser-Emissionsfrequenz ist. Wenn der optische Wegunterschied zwischen dem empfangenen Strahl und dem Referenzstrahl ungleich Null ist, findet durch die Modulation gleichzeitig (selbst wenn die Entfernung des Meßobjekts konstant ist) eine Modulation der Phasendifferenz an deren Überlagerungspunkt zwischen Empfangs- und Referenzstrahl statt. Es ergibt sich somit eine modulierte, zeitabhängie Phasendifferenz ϕ'_ext(t),

ϕ'_ext(t) = ϕ_ext + Σm_isin(Ω_it), (3c)

wobei m_1,2 die Phasenmodulationshübe und ϕ_ext die über eine Modulationsperiode gemittelte Phasendifferenz von Referenz- und Empfangsstrahl am Überlagerungspunkt bedeutet. Nach wie vor ist ϕ_ext die zu bestimmende Größe. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann angenommen werden, daß der optische Wegunterschied gleich 2L ist, d. h. innerhalb der Sende- und Empfangseinheit 16 ist die Länge von Referenzstrahl und die Summe von Sende- und Empfangsstrahl gleich lang oder gleich Null gewählt. Dann betragen die Phasenmodulationshübe

m_i = Δω_i2L/c (3d)

(c ist die Lichtgeschwindigkeit). Die überlagerten Strahlen oder eine Auswirkung der Interferenz dieser Strahlen wird von einem in der Sende- und Empfangseinheit 16 enthaltenen Photodetektor PD erfaßt und in Form eines Interferenzsignals IS zur weiteren Auswertung bereitgestellt. Eine Filtereinrichtung 8 extrahiert aus dem Spektrum des Interferenzsignals IS eine Spektrallinie bei der Frequenz

Ω_F= n . Ω (3e)

die ein Vielfaches der Bezugsgrundfrequenz Ω oder die Bezugsgrundfrequenz Ω selbst ist. Wie aus Fig. 1-2 ersichtlich und weiter unten dargestellt, besitzt die extrahierte Spektrallinie eine Abhängigkeit A . cos(Ω_Ft - ϕ_IS), so daß die Phasenbestimmungseinrichtung 10 die Phase ϕ_IS ermitteln kann. Als Referenz hierzu dient ein Signal der Form cos (Ω_Ft + ϕ'₀), das durch den Frequenzvervielfacher 17 aus der Bezugsgrundfrequenz mit fester Phasenlage erzeugt wird und ebenfalls von dem Modulationsspektrumgenerator (6) bereitgestellt wird. Wie im folgenden dargelegt wird, können mit der Modulationsamplituden-Einstelleinrichtung MAEE die Modulationsamplituden der Frequenzkomponenten des Modulationsspektrums so eingestellt werden, daß bei der zu extrahierenden Frequenz Ω_F die Phase ϕ_IS des Ausgangssignals der Filtereinrichtung 8 bis auf eine Konstante eine Identität mit der zu bestimmenden Phasendifferenz ϕ_ext bildet, d. h.

ϕ_IS = ϕ_ext + ϕ"₀. oder

ϕ_IS = - ϕ_ext + ϕ"₀(ϕ"₀ = konstant). (3f)

Vorzugsweise wird mit sinusförmigen Modulationssignalen moduliert, es ist jedoch auch möglich, andere Signalformen, z. B. dreiecksförmige oder rechteckförmige Modulationssignale zu verwenden, wobei dann natürlich noch zusätzliche Spektralkomponenten im Interferenzspektrum entstehen, da sich jedes derartige Modulationssignal wieder in einzelne sinusförmige Schwingungen zerlegen läßt, die dann getrennt behandelt werden müssen. In jedem Fall besitzt aber die Phase ϕ_IS der von der Filtereinrichtung 8 extrahierten Spektralkomponente Ω_F eine Identität zu der zu bestimmenden Phase ϕ_ext.

Im folgenden wird gezeigt, wie die Faktoren n, n₁, n₂, ..., n_k des Frequenzvervielfachers FV aus Fig. 1-2 sowie die Funktion der Modulationsamplituden-Einstelleinrichtung MAEE erfindungsgemäß eingestellt sind, damit die Gleichungen 3f erfüllt ist.

Das Signal IS der Photodiode hat folgende Form:

IS(t) = IS₀((1 + aΔI(t)) + (1 + aΔI(t))bcos(ϕ'_ext(t))), (3g)

hierbei beschreibt IS₀ das Signal, wenn keine Interferenz und keine Modulation vorhanden ist (DC-Pegel der Photodiode). Des weiteren sind die Koeffinzienten a und b so definiert, daß (a ΔI(t)IS₀) die Signaländerung aufgrund der ebenfalls vorhandenen Amplitudenmodulation des Diodenlasers und (b IS₀(1 + aΔI(t))) die Amplitude der Signaländerung aufgrund des Interferenzvorganges (Interferometer-Kontrast) beschreibt.

Die Amplitudenmodulation des Diodenlasers erzeugt im Spektrum von IS nur Spektralkomponenten bei den verwendeten Modulationsfrequenzen Ω_i (falls Nichtlinearitäten in der Diodenlaser-Kennlinie nicht vernachlässigt werden auch bei den Obertönen der Ω_i). Zur Vereinfachung der Darstellung wird die Amplitudenmodulation des Diodenlasers zunächst vernachlässigt, d. h. a = 0 gesetzt. Gleichung 3g vereinfacht sich dann zu

IS(t) = IS₀(1 + b cos(ϕ_ext(t))).

Die relative Signaländerung (rel. Wechselstromanteile) von IS ergibt sich dann zu

ΔIS/IS₀(t) = bcos(ϕ'_ext (t)). (3h)

Gleichung (3h) stellt somit eine trigonometrische Funktion dar, die als Argument ϕ_ext und eine Summe von trigonometrischen Funktionen, deren Frequenzen Vielfache einer Bezugsgrundfrequenz (Ω_i = n_iΩ) sind, enthält (s. Gl. 3c). Daraus folgt für die Struktur des Spektrums des IS- Signals, daß darin nicht nur die Oberharmonischen l Ω_i(l natürliche Zahl incl. 0) der Modulationsfrequenzen, sondern auch alle möglichen Mischterme wie ± l₁Ω₁ ± ₂Ω₂ ± .... ± l_kΩ_k (l_k natürliche Zahlen incl. 0) auftreten. Da die Modulationsfrequenzen Ω_i alle als Vielfache einer Bezugsgrundfrequenz Ω gewählt sind, sind auch alle Mischterme Vielfache oder gleich der Bezugsgrundfrequenz Ω. Dabei treten auch Mischterme mit verschiedenen (l₁, ..., l_k)- Werten auf, die die gleiche Frequenz besitzen, d. h. eine Spektrallinie des Spektrums des IS-Signals kann eine Überlagerung von mehreren Mischanteilen sein. Einige dieser Spektrallinien sind aus Mischanteilen entstanden, die sowohl eine cos ϕ_ext als auch eine sinϕ_ext-Abhängigkeit besitzen. D. h., es gibt eine natürliche Zahl n ohne null, so daß das Signal I_Ω _F von einer Spektrallinie bei der Frequenz nΩ = Ω_F im Spektrum von IS die Form

I_Ω _F= A(m₁, ..., m_k)cos(ϕ_ext)cos(Ω_Ft) + B(m₁, ..., m_k)sin(ϕ_ext)sin(Ω_Ft), (3i)

besitzt. Die Faktoren A und B sind Funktionen der Phasenmodulationshübe m₁, ..., m_k. Die Modulationsamplituden- Einstelleinrichtung MAEE ermöglicht über die Einstellung von ΔI_i und die Gleichungen 3b, 3c und 3d bei einem vorgegebenen Abstand L eine unabhängige Wahl der ml. Dies kann genutzt werden, um die Bedingung

A(m₁, ..., m_k) = + B(m₁, .. m_k) oder

A(m₁, ..., m_k) = - B(m₁, .. m_k) (3j)

zu erfüllen. Dann kann Gleichung 3i in der Form

I_Ω _F = A(m₁, ..., m_k)cos(Ω_Ft - ϕ_ext) bzw. (3k) = A(m₁, ..., m_k)cos(Ω_F + ϕ_ext)

geschrieben werden. Damit ist die optische Phasendifferenz ϕ_ext, die hier die zu bestimmende Größe darstellt, auf die Phase ϕ_IS einer Spektrallinie im Spektrum des elektrischen Signals IS übertragen, ϕ_IS = ϕ_ext + ϕ₀ bzw. ϕ_IS = - ϕ_ext + ϕ₀ (ϕ₀ = .konstant). Da die Phase eine mit Vorzeichen behaftete Größe ist, ist auch die Erkennung der Bewegungsrichtung gelöst (bei einer spezifischen Wahl von n, n₁, ..., n_k, ist das Vorzeichen in der Gleichung (3j) und damit auch in der Gleichung (3k) eindeutig bestimmt).

Da die Phasenhübe m_i jedoch bei konstanter Strommodulationsamplitude proportional zur Entfernung L sind (s. Gl. 3d), kann die Bedingung A(m₁, ..., m_k) = B(m₁, ..., m_k) im ganzen Meßbereich nur eingehalten werden, wenn die Strommodulationsamplituden ΔI_i angepaßt werden. Deshalb nimmt die Einstelleinrichtung MAEE vorzugsweise eine dynamische Regelung der Strom-Modulationsamplituden ΔI_i vor. Da sich die gesamte Abstandsänderung des Meßobjekts aus dem Sensorausgang (an der Phasenänderung) entnehmen läßt, wenn die anfängliche Entfernung des Sensors bekannt ist, kann die absolute Entfernung L zu jedem Zeitpunkt berechnet werden. Bei Bewegung des Meßobjekts stellt MAEE die Modulationsamplituden dann umgekehrt proportional zu L ein, so daß die Bedingung von Gleichung 3j über den ganzen Meßbereich erfüllt ist.

Wenn die Phasenmodulationsamplituden m₁, ..., m_k nur annähernd genau gewählt sind, z. B. wenn auf das dynamische Einstellverhalten von MAEE verzichtet wird, ist Gleichung 3j auch nur annähernd erfüllt. Das führt zu einem Phasenfehler Ψ bei der Umsetzung der optischen Phase ϕ_ext in der Phase ϕ_IS des Signals I_Ω _F, so daß ϕ_IS = ϕ_ext + Ψ + ϕ₀ bzw. ϕ_IS = - ϕ_ext + Ψ + ϕ₀ wird (ϕ₀ ist eine Konstante). Bei verschiedenen Anwendungen kann dies ausreichend sein, wenn nur eine geringere Auflösung der Phasenbestimmung notwendig ist, z. B. wenn ϕ_ext nur in Vielfachen von π gezählt wird.

Für die obige Darstellung wurde zur Vereinfachung angenommen, daß keine Amplitudenmodulation des Diodenlasers vorliegt (Annahme a = 0). Da die Diodenlaser bei Modulation des Injektionsstromes sowohl Frequenz- als auch Amplitudenmodulation zeigen, überlagern sich im Spektrum von IS bei den Frequenzen Ω_i zusätzlich die Spektralkomponenten des durch die Amplitudenmodulation verursachten Signals (bei Berücksichtigung von Nichtlinearitäten auch bei den Harmonischen und Mischprodukten von Ω_i). Daher ergibt sich eine zusätzliche Bedingung für die Wahl von Ω_F, nämlich

Ω_F ≠ Ω_i, (31)

(bzw. Ω_F ≠ Ω_s, mit Ω_s = l₁Ω₁ + l₂Ω₂+ ...; l = 0, ±1, ±2; jedoch Σ|l_i| ≦ 3, wenn Nichtlinearitäten der Didodenlaser-Kennlinie bis zur 3. Ordnung nicht vernachlässigt werden sollen).

Zusammenfassend ist aus Gleichung (3k) ersichtlich, daß die optische Phasendifferenz ϕ_ext auf die Phase eines elektrischen Signals mit der Frequenz Ω_F übertragen wird. Damit wird jedoch die gestellte Aufgabe der Erfindung gelöst: die Phase des elektrischen Signals kann elektronisch mit der konventionellen Technik, z. B. mittels des Phasenregelkreises (PLL) und eines Zählers ausgewertet werden, wodurch die Verwendung von zwei Lock-in-Verstärkern oder von Hochfrequenz-Mischbauteilen, wie sie beim Homodyn-Verfahren benötigt werden, überflüssig wird. Es ist noch zu bemerken, daß die Meßsignalform aus Gleichung (3k) auch beim Doppler- Heterodyn-Verfahren erzeugt wird. Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren jedoch werden die teuren optischen Komponenten, wie AOM und PBS (s. Fig. 9) nicht mehr nötig.

Beispiel 1 zur Ausführungsform 1 (Verwendung von genau zwei Spektralkomponenten im Modulationsspektrum)

Bei Verwendung von genau zwei Modulationsfrequenzen Ω₁ und Ω₂ wird das Verfahren als Zwei-Ton-Modulation bezeichnet. Da Ω₁ und Ω₂ Vielfache einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind, gibt es dann natürliche Zahlen p und q so daß gilt,

Ω₁ = p Ω und Ω₂ = q Ω.

Gleichung 3c läßt sich schreiben als

ϕ'_ext(t) = ϕ_ext + m₁sin(Ω₁t) + m₂sin(Ω₂t) (4a)

mit l₁, l₂ = natürliche Zahlen mit Null und

wobei J_l die Bessel-Funktion der Ordnung 1 bedeutet.

Wenn die Summe von n₁ + n₂ eine ungerade Zahl ist, treten im Spektrum von IS Terme auf, die sowohl proportional zu cos (ϕ_ext) als auch zu sin(ϕ_ext) entsprechend Gleichung 4c sind.

Als Beispiel einer besonders geeigneten Wahl von Ω₁ und Ω₂ sei nun n₁ = 2, n₂ = 3 und n = 1 (gemäß Gl. 3e) gewählt.

Fig. 2 zeigt das Spektrum im Ausgangssignal IS der Photodiode PD in Fig. 1-2 für diese Parameterwahl Ω₁ = 2 Ω, Ω₂ = 3 Ω, Ω_F = Ω. Damit ist die Nachweisfrequenz kleiner als die Modulationsfrequenzen, Ω_F = Ω < Ω₁, Ω₂, wodurch sich die elektronische Filtervorrichtung 8 einfacher realisieren läßt. Beispielsweise kann die Filtervorrichtung 8 als ein Tiefpaßfilter mit einer Grenzfrequenz Ω_C, mit Ω < Ω_C < Ω₁, Ω₂, ausgeführt sein. Zu dem Signal I_Ω _F bei der Spektralkomponente Ω im Spektrum von IS mischen somit alle Terme von Gleichung 3i, für die gilt,

l₁n₁ - l₂n₂ = ±1 oder 2l₁- 3l₂ = ±1.

Dies sind somit die Terme mit den Zahlenpaaren {(l₁; l₂)} = {(1; 1), (2; 1), (4; 3), (5; 3), (7; 5), (8; 5).... }. Dann hat Gleichung 3i unter Beachtung von Gleichungen 4c bis 4f die Form,

I_Ω _F = A(m₁, m₂)cos(ϕ_ext)cos(Ωt) + B(m₁, m₂)sin(ϕ_ext)sin(Ωt), (4g)

mit

A(m₁, m₂) = -2b{J₁(m₁)J₁(m₂) + J₅(m₁)J₃(m₂) + J₇(m₁)J₅(m₂) + ...}

B(m₁, m₂) = 2b{J₂(m₁)J₁(m₂) - J₄(m₁)J₃(m₂) + J₈(m₁)J₅(m₂) - ....}

Aufgrund der mathematischen Eigenschaften der Besselfunktionen konvergieren diese Reihen. Die Funktionen A(m₁, m₂) und B(m₁, m₂) sind in Fig. 3 für einige fixierte Werte des Verhältnisses m₁ : m₂ in Abhängigkeit von m₁ gezeigt.

Wie die Abbildungen zeigen, ist die Bedingung A(m₁, m₂) = ±B(m₁, m₂) bei bestimmten Werten von ml und m₂ erfüllt. Zum Beispiel, für m₁ : m₂ = 0,6 muß m₁ = 2,5 sein, was für einen typischen Wert dω/dl = 2π × 500 MHz/mA und eine Entfernung L = 10 cm, die Modulationsamplituden ΔI_1,2 = m_1,2/(dω/dI 2L/c) von jeweils 1,2 mA und 0,72 mA ergibt.

Beispiel 2 zur Ausführungsform 1

Die Erfindung ist nicht auf die spezielle Wahl von k = 2, 1 = 3 beschränkt, wie sich Fig. 4 entnehmen läßt. Frequenzkombinationen Ω₁ = 2 Ω Ω₂ = 5 Ω, Ω_F = Ω bzw. Ω₁ = 5 Ω, Ω₂ = 8Ω, Ω_F = Ω können vorzugsweise verwendet werden, da das ausgefilterte Signal dann nicht nur von den Modulationsfrequenzen und deren Oberwellen, sondern auch von den Störsignalen mit den Frequenzen Ω₂± Ω₁ bzw. 2 Ω₂± Ω₁ und 2 Ω₁ ± Ω₂, die in Folge der nicht-linearen Verzerrung der zweiten bzw. dritten Ordnung erzeugt werden, frei sind, wie in Fig. 4 angegeben. Darüberhinaus sind in Fig. 4 für die jeweiligen Frequenzkombinationen die zu wählenden Phasenmodulationsamplituden m₁ und m₂ angegeben, damit Gleichung (3j) erfüllt wird.

Zweite Ausführungsform (Halbleiterlaser mit Michelson- Interferometer)

Fig. 5 zeigt einen Aufbau unter Verwendung eines Halbleiterlasers 11 mit einer Michelson- Interferometeranordnung. Das aus 11 divergent austretende Licht wird durch eine Linse 2 kollimiert und durch einen Strahlteiler 12 in zwei Strahlen aufgeteilt. Einer der beiden Strahlen trifft auf den Referenzspiegel 13, der das Licht in sich zurück reflektiert, so daß ein Teil auf den Photodetektor 15 trifft. Der zweite Strahl trifft auf einen beweglichen Reflektor 4, der das Licht in sich zurück reflektiert. Die Bewegung von 4 stellt die zu messende Größe dar. Ein Teil des an 4 reflektierten Lichtes gelangt nach Reflexion an 12 auf den Photodetektor 15.

Dem Injektionsstrom aus einer Gleichstromquelle 5 wird ein Modulationsstrom aus einer Modulationsstromquelle 6 über ein Bias-T 7 überlagert. Das Frequenzspektrum des Modulationsstromes enthält zwei Frequenzanteile, bei 2 Ω und 3 Ω (z. B. 910 kHz und 1365 kHz), wobei die Modulationsamplituden beider Frequenzanteile unabhängig voneinander einstellbar sind, so daß die Bedingung (3j) unter Beachtung von Gleichung (3b und 3d) nahezu erfüllt wird. Dieser Modulationsstrom kann beispielsweise mit einem programmierbaren Funktionssynthesizer (z. B. SRS DS 345) erzeugt werden.

Aus dem Signal der Photodiode 15 wird durch ein schmalbandiges Filter 8 ein Frequenzband in der Nähe der Bezugsgrundfrequenz Ω (z. B. 455 kHz, hierfür sind besonders preiswerte Filterbausteine kommerziell erhältlich) herausgefiltert und anschließend durch einen Verstärker 9 verstärkt. Der elektronische Phasenmesser 10 bestimmt die Phase zwischen dem Referenz-Modulationssignal mit der Bezugsgrundfrequenz Ω und dem Signal am Ausgang des Verstärkers 9.

Eine im Phasenmesser 10 gemessene Phasenänderung um x . 2π entspricht wiederum einer Bewegung des Reflektors 4 um eine Strecke von x . λ/2, wobei λ für die Wellenlänge des Laserlichtes in dem durchstrahlten Medium steht. Fig. 8 zeigt eine Ausführungsform der Phasenbestimmungseinrichtung (10), die ein Messen der Phase mit hoher Genauigkeit erlaubt, was nachstehend noch näher erläutert wird.

Dritte Ausführungsform (Halbleiterlaser mit SMI)

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform unter Verwendung der Laser- Selbstüberlagerung (SMI) und eines Halbleiterlasermoduls mit integrierter Photodiode 1 (z. B. SHARP LTO22MDO). Das aus 1 divergent austretende Licht wird durch eine Linse 2 kollimiert und durch einen Abschwächer 3 abgeschwächt, bevor es auf einen beweglichen Reflektor 4 (das Meßobjekt) trifft, der das Licht in sich zurück reflektiert. Nach Durchgang durch 3 und 2 gelangt ein Teil des emittierten Lichtes wieder zurück in den Laser. Die Bewegung des Meßobjektes 4 stellt die zu messende Größe dar. Dem Injektionsstrom aus einer Gleichstromquelle 5 wird ein Modulationsstrom aus einer Modulationsstromquelle 6 über ein Bias-T 7 überlagert. Das Frequenzspektrum des Modulationsstromes enthält in dieser Ausführungsform beide Frequenzanteile, deren Amplituden Δ_I1, ΔI₂ unabhängig voneinander einstellbar sind, so daß die Gleichung (3j) unter Beachtung von Gleichung (3b und 3d) nahezu erfüllt wird. Dieser Modulationsstrom kann beispielsweise mit einem programmierbaren Funktionssynthesizer (z. B. SRS DS345) erzeugt werden.

Bisher wurde bei den Untersuchungen zum SMI-Effekt stets eine sägezahnförmige Abhängigkeit der Leistungsänderung des Diodenlasers von der Phasendifferenz ϕ_ext beobachtet. Bei sehr geringer Rückkoppelstärke, beispielsweise durch Einfügen eines Neutralfilters 3 mit der optischen Dichte D = 1,7 in die Meß- und Empfangsstrahlen (M und E), erhält man bezogen auf ϕ_ext eine sinusförmige Änderung der Laserleistung.

Allerdings hat dies auch zur Folge, daß die relative Intensitätsänderung, d. h. die durch SMI verursachte Intensitätsänderung, bezogen auf die Gesamtintensität der Laserdiode, auch weiter abnimmt.

Das Halbleiterlasermodul 1 hat neben dem elektrischen Eingang für den Injektionsstrom des Halbleiterlasers einen Ausgang von der im Modul integrierten Monitor-Photodiode PD, die für die Signalgewinnung genutzt wird. Im Grenzfall der sehr geringen Rückkopplung verhält sich das Signal am Ausgang der Monitor-Photodiode wie das Ausgangssignal eines konventionellen Interferometers (z. B. eines Michelson- Interferometers), d. h. es hat also eine cosinusförmige Abhängigkeit von ϕ_ext mit allerdings einem extrem geringen Interferometer-Kontrast. Das Signal der Photodiode IS(t) hat somit für den Grenzfall der geringen Rückkopplung auch bei einem Self-Mixing-Interferometer die in Gleichung (3g) angegebene Form, wobei gilt b << 1.

Aus dem Signal der Monitor-Photodiode wird durch ein schmalbandiges Filter 8 ein Frequenzband in der Nähe der Bezugsgrundfrequenz Ω (z. B. 455 kHz) herausgefiltert und anschließend durch einen Verstärker 9 verstärkt. Ein elektronischer Phasenmesser 10 (Phasenbestimmungseinrichtung) bestimmt die Phase zwischen dem Modulationssignal und dem Signal am Ausgang des Verstärkers 9. Eine in 10 gemessene Phasenänderung um 2π entspricht einer Bewegung des Reflektors 4 um eine Strecke von λ/2, wobei λ für die Wellenlänge des Laserlichtes in dem durchstrahlten Medium steht.

Hierbei kommt der wichtige Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Anordnung zum tragen, daß auch bei einem sehr kleinen Interferometer-Kontrast b ein stabiles Signal I_Ω _F und eine hohe Auflösung bei der Bestimmung von ϕ_ext mit einem sehr kleinen Fehler Ψ erzielt werden kann. Darüber hinaus stellt ein SMI-Interferometer eine Interferometer- Konfiguration dar, die mit einer minimalen Anzahl an optischen Komponenten realisiert werden kann. Selbst auf die in Fig. 6 gezeigten optischen Elemente, wie Linse 2 und Abschwächer 3 kann verzichtet werden, wenn sichergestellt wird, daß z. B. von einem diffusen Reflektor 4 eine Rückkopplung verursacht wird, die genügend schwach ist, so daß das Signal IS(t) die Form von Gleichung (3g) besitzt. Damit kann durch das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung ein miniaturisiertes, kostengünstiges Interferometersystem realisiert werden.

Vierte Ausführungsform (ohne Diodenlaser)

Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das Verfahren sind nicht an die Verwendung von Halbleiterlasern gebunden. Für verschiedene Anwendungen ist es vorteilhaft, auf die einfache Modulierbarkeit der Diodenlaser zu verzichten zugunsten beispielsweise einer besseren absoluten Stabilität der Laserwellenlänge λ, wie sie bei HeNe-Lasern vorliegt. Dazu ist es lediglich notwendig, eine Vorrichtung zu verwenden, die eine Phasen- oder Frequenzmodulation von mindestens einem der Srahlen M, E, R, bewirkt. Hierzu sind verschiedene Verfahren bekannt, beispielsweise kann ein Endspiegel des Laserresonators über einen piezoelektrischen Aktuator bewegt werden, bei Verwendung eines diodenlasergepumpten Festkörperlasers kann die Pumplichtintensität über den Injektionsstrom des Diodenlasers moduliert werden oder die Phase kann mit einem elektro-optischen Modulator moduliert werden.

Darüber hinaus kann auch der bereits erwähnte akustooptische Modulator eingesetzt werden, wie in Fig. 7 in Kombination mit einem Michelson-Interferometer beispielhaft gezeigt ist. Dazu wird der Ausgang des Lasers durch einen akustooptischen Modulator AOM geführt, der von dem Signalgenerator 6 mit einem Signal, das ein Spektrum IS mit den Frequenzen Ω₁ = 2 Ω und Ω₂ = 3Ω enthält, angeregt wird. Dies führt zu einer Frequenzmodulation des Laserlichtes mit den Frequenzmodulationshüben Δω₁ und Δω₂, die durch die Amplituden der Spektralkomponeneten von MS bestimmt sind.

Beispielhaft ist in Fig. 10 ein Michelson-Interferometer mit einem Strahlteiler 12 gezeigt.

Im Gegensatz zur Fig. 10, wo zur Beschreibung des Standes der Technik ein Michelson-Interferometer gezeigt ist, mit einem polarisierenden Strahlteiler, der eine Aufspaltung der jeweils linear polarisierten Strahlanteile bewirkt, genügt erfindungsgemäß lediglich ein einfacher Strahlteiler, ohne Beachtung der Polarisation der Laserstrahlung. Ohne Einschränkung der Allgemeinheit kann angenommen werden, daß der optische Wegunterschied zwischen dem empfangenen Strahl E und dem Referenzstrahl R gleich 2L (und ungleich Null) ist, d. h. innerhalb der Sende- und Empfangseinheit (16) ist die Länge von Referenzstrahl und die Summe von Sende- und Empfangsstrahl gleich lang gewählt. Dann hat die Phasendifferenz ϕ'_ext(t) die Form

ϕ'_ext(t) = ϕ_ext + m₁cos(Ω₁t) + m₂cos(Ω₂t)

mit

m_i = Δω_i2L/c, (i = 1 oder 2).

Diese Gleichungen sind identisch mit den Gleichungen 4a und 3d; man kann also die gleiche Modulation der Differenzphase wie in Gleichung 4a erzeugen. Die überlagerten Strahlen werden von dem Photodetektor 15 erfaßt und in Form eines Interferenzsignals IS, das durch Gleichung (3g) beschrieben werden kann, zur weiteren Auswertung bereitgestellt. Eine Filtereinrichtung 8 extrahiert aus dem Spektrum des Interferenzsignals IS eine Spektrallinie bei der Frequenz Ω, die anschließend durch einen Verstärker 9 verstärkt wird. Der elektronische Phasenmesser 10 bestimmt die Phase zwischen dem Referenz-Modulationssignal mit der Bezugsgrundfrequenz Ω und dem Signal am Ausgang der Filtereinrichtung 8.

Im Gegensatz zu dem oben beschriebenen Doppler-Heterodyn- Verfahren führt der erfindungsgemäße Einsatz eines einfachen Strahlteilers und eines unpolarisierten Laserstrahles, statt eines Laserstrahles mit zwei Anteilen, die sich durch ihre Frequenz und die Lage der Ebenen der linearen Polarisation unterscheiden, sowie die Verwendung eines Polarisationsstrahlteilers und Polarisators erfordern, zu einer kostengünstigeren Lösung der Meßaufgabe.

Fünfte Ausführungsform (Phasenmessung über PLL)

In der Ausführungsform in Fig. 8 erzeugt der Funktionsgenerator FG eine Bezugsgrundfrequenz Ω, die von den Multiplizierern (jeweils als X2 und X3 bezeichnet) in zwei Modulationssignale mit den Frequenzen Ω₁ = 2 Ω und Ω₂ = 3 Ω umgesetzt wird. Nach der Einstellung der Modulationsamplituden mit den Reglern R1, R2 über die Einstelleinrichtung MAEE werden die beiden Signale auf den Modulationseingang der Sende- und Empfangseinheit 16 übergeben, wodurch die Laserdiode LD der Zweiton-Modulation ausgesetzt wird.

Das in der Photodiode PD erzeugte Interferenzsignal wird in der Filtereinrichtung 8 bis zu einem ausreichenden Pegel im Verstärker 9 verstärkt und anschließend durch einen Tiefpaßfilter mit der Grenzfrequenz Ω < Ω_c, < Ω₁,Ω₂ gefiltert.

Der Phasenmesser 10 kann beispielhaft als Phasenregelkreis mit Differenzzähler ausgeführt werden. Dazu enthält der Phasenregelkreis PLL einen spannungsgesteuerten Oszillator VCO, der auf der Frequenz Ω und die Phase ϕ_ext des Meßsignals einrastet. Dadurch werden die Schwingungen bei anderen Frequenzen, die nach der ersten Filterung noch nicht vollständig beseitigt wurden, sowie die Schwankungen des Signals infolge eines Intensitätsrauschens noch weiter unterdrückt. Am Ausgang erzeugt der PLL ein "sauberes" Meßsignal cos(Ωt + ϕ_ext), das durch das Zählen von cos-Spitzen mittels des Zählers 21 ausgewertet wird. Während der Meßzeit Δt wird die Zähleranzeige durch die Argumentenzunahme von cos-Funktion bestimmt: ΔN_S = (ΩΔt + Δϕ_ext)/2π. Sie wird im Subtrah 06591 00070 552 001000280000000200012000285910648000040 0002019707773 00004 06472ierer mit der Referenzanzeige ΔN_R = ΩΔt/2π verglichen, die durch direkte Bearbeitung des ursprünglichen Signals cos(Ωt) von einem anderen Zähler 22 erzeugt wird. Die Verschiebung Δϕ_ext der Phase des Meßstrahles (z. B. durch eine Längenänderung 2ΔL verursacht) während der Meßzeit Δt ergibt sich nun aus der Differenz von beiden Zähleranzeigen: ΔN = ΔN_S - ΔN_R = Δϕ_ext/2π = 2ΔL/λ. Daraus kann Δϕ_ext, bzw. ΔL, bestimmt werden. Unter Berücksichtigung der Meßzeit Δt kann daraus auch die Geschwindigkeit ΔL/Δt ermittelt werden.

Da die kleinste Differenz der Zähleranzeigen δN = 1 einer Abstandsänderung von δL = λ/2 entspricht, ist die Auflösung dieses Verfahrens auf die halbierte Wellenlänge begrenzt. Sie kann jedoch vielfach erhöht werden, wenn ein Frequenzteiler 1:k FT und ein Multiplizierer x . k mit wie in Fig. 7 eingesetzt werden. In diesem Fall oszilliert der VCO k-fach schneller, so daß eine Phasenänderung auf dem Eingang des PLL's einer n-fachen Phasenänderung auf seinem Ausgang entspricht. Die Differenz der Zähleranzeigen ist nun durch ΔN = k Δϕ_ext/2π = k 2ΔL/λ gegeben, weshalb sich die Auflösung δL = λ/2n um n-mal erhöhen läßt. Mit k = 100 und λ = 670 um erhält man z. B. 3,34 nm, was eine sehr hohe Interpolation ermöglicht.

GEWERBLICHE ANWENDBARKEIT

Wie eingangs erwähnt, ist die erfindungsgemäße Meßvorrichtung und das Meßverfahren auf sämtliche Meßsysteme anwendbar, bei denen die Änderung einer Meßgröße, eine Änderung der Phasendifferenz zweier interferierender Meßstrahlen bewirkt. Das Verfahren und die Anordnung ist nicht an einen speziellen Interferometertyp gebunden, sie können vielmehr bei verschiedenen Interferometern, wie u. a. Michelson-, Mach- Zehnder, SMI-Interferometer, eingesetzt werden. Daüberhinaus kann der optische Aufbau auch als integrierte Optik realisiert sein. Erfindungsgemäß wird eine Modulation der Phasendifferenz mit mindestens zwei Modulationsfrequenzen durchgeführt. Im Hinblick auf eine einfache und kostengünstige Realisierung der Modulation kann eine Frequenzmodulation des aus dem Laser emittierten Strahles erfolgen, z. B. bei Verwendung eines Diodenlasers kann dessen Injektionsstrom moduliert werden. Das Verfahren ermöglicht es auch, ein Interferenzsignal mit einem sehr kleinen Interferometerkontrast, wie er beispielsweise bei einem SMI- Interferometer vorliegt, zu nutzen, bei gleichzeitiger Fähigkeit der Detektion auch von kleinen Phasendifferenzänderungen. Die Meßvorrichtung beinhaltet nur wenige und preiswerte Komponenten und kommt beispielsweise ohne Lock-in-Verstärker aus.

In Fig. 9 sind schließlich zur Abstandsänderungsmessung mehrere Alternativen zur Messung von charakteristischen Eigenschaften von Meßobjekten gezeigt, die mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung und dem erfindungsgemäßen Meßverfahren ermittelt werden können. Beispielsweise sind dies neben den Abstandsänderungen mit Richtungserkennung (Fig. 9a), Vibrationen (Fig. 9b), sowie Oberflächenrauhigkeit und Filmdicke (Fig. 9c). Bei einer der Modulation überlagerten, kontinuierlichen Änderung der Laserwellenlänge von λ₁ nach λ₂ und der Messung der Phasendifferenzänderung ϕ_ext können auch Absolutabstände bestimmt werden (Fig. 9d). Kraft, Beschleunigung, Druck, Schall können gemessen werden, indem sie auf eine Abstandsänderung zurückgeführt werden (Fig. 9e). Bei einem festen Abstand L kann eine Brechungsindexänderung des durchströmten Mediums bestimmt werden wodurch z. B. auch der Druck oder die Gaskonzentration (Fig. 9f) gemessen werden kann. Außerdem ist es vorstellbar, das erfindungsgemäße Prinzip auf die optische Kommunikation, die eine kohärente Phasenmodulation beinhaltet, anzuwenden, wie in Fig. 9g gezeigt. Dabei wird der Meßstrahl in eine optische Lichtleitfaser eingekoppelt, an deren Ende sich z. B. ein Phasenmodulator und ein Reflexionsspiegel befindet. Der Sender der Information steuert den Phasenschieber an, dessen Phasenverschiebung von der erfindungsgemäßen Anordnung und dem Verfahren bestimmt wird; wodurch die Information empfangen werden kann. In Fig. 9h ist eine Anwendung als Fiber- oder Laser-Gyroskop skizziert.

Das erfindungsgemäße Verfahren und die Anordnung stellen eine miniaturisierbare, kostengünstige interferometrische Abstandsänderungsbestimmung zur Verfügung, die auch zum Auslesen einer neuartigen interferometrischen Informationsspeicherplatte mit hoher Speicherdichte benutzt werden kann (Fig. 9i). Da derzeit die Informationsdichte einer Compact-Disk im wesentlichen durch den minimalen Fokusdurchmesser eines Diodenlasers für eine 1 oder 0 - Information, die durch eine hohe oder niedrige Reflektion an dem betreffenden Punkt gegeben ist, begrenzt ist, kann eine erhebliche Steigerung der Informationsdichte erzielt werden, wenn der Abstand zum Reflektor als Informationsgröße genutzt wird, der über das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung bestimmt wird. Zur Vereinfachung können neben jedem Informationspunkt Referenzpunkte vorhanden sein, so daß die Abstandsdifferenz zwischen dem Referenzpunkt und dem Informationspunkt den Informationsinhalt trägt. Werden M Abstandsdifferenzen aufgelöst, so kann die Informationsdichte um den Faktor M/2 gesteigert werden.

Weitere kommerzielle Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung und des Verfahrens stellen im allgemeinen Meßsysteme dar, bei denen Interferenzeffekte ausgenutzt werden, wie z. B. bei sog. Wavemetern, die die Wellenlänge von Laserstrahlung bestimmen oder bei interferenziellen Glasmaßstäben, wo mit Hilfe der Interferenz die Phasenabhänigkeit der an einem Gitter gebeugten Strahlen zur Längenbestimmung genutzt wird.

Bezugszeichen in den Ansprüchen engen den Umfang der Erfindung nicht ein und Modifikationen und Änderungen der Erfindung sind im Umfang der beigefügten Ansprüche möglich.

Diese Anmeldung wurde vom Bundesministerium für Forschung und Technologie unter dem Förderkennzeichen FKZ 16SV266/5 gefördert.

Claims

1. Vorrichtung zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz (ϕ_ext) von interferierenden Strahlen (E, R), umfassend:

1. eine Sendeeinrichtung (16) zum Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und zum Aussenden des Meßstrahls;
2. eine Überlagerungseinrichtung (16) zum Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag Δϕ hervorgeht, mit dem Referenzstrahl;
3. eine Detektoreinrichtung (16) zur Erfassung der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl und zum Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals, das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt;
4. eine Modulationseinrichtung (16-1), mit der die Frequenz von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) moduliert werden kann, mit einem Modulationsspektrum, das durch ein von außen vorgegebenes elektrisches Modulationssignal (MS) bestimmt wird;
5. einen Modulationssignalgenerator (6) zur Erzeugung des Modulationssignals (MS) mit einem Modulationssignalspektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese phasenstarr gekoppelt sind;
6. eine Filtereinrichtung (8), welche das elektrische Detektorsignal filtert, und eine Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, wobei n eine natürliche Zahl ungleich null ist, extrahiert,
7. wobei n und die Frequenzen Ω_i der mindestens zwei Komponenten des Modulationsignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F= Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
8. eine Phasenbestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz zwischen der von der Filtereinrichtung (8) gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F.

2. Vorrichtung zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz (ϕ_ext) von interferierenden Strahlen (E, R), umfassend:

1. eine Sendeeinrichtung (16) zum Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und zum Aussenden des Meßstrahls;
2. eine Überlagerungseinrichtung (16) zum Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit dem Referenzstrahl;
3. eine Detektoreinrichtung (16) zur Erfassung der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl, und zum Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt;
4. eine Modulationseinrichtung (16-1), mit der die Phase von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) moduliert werden kann, mit einem Modulationsspektrum, das durch ein von außen vorgegebenes elektrisches Modulationssignal (MS) bestimmt wird;
5. einen Modulationssignalgenerator (6) zur Erzeugung des Modulationssignals (MS) mit einem Modulationssignalspektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und an diese phasenstarr gekoppelt sind;
6. eine Filtereinrichtung (8), welche das elektrische Detektorsignal (IS) filtert, und eine Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, die ungleich einer der Modulationsfrequenzen Ω_i, und ungleich einer der Obertöne der Modulationsfrequenzen ist, extrahiert,
7. wobei n und die Frequenzen (Ω_i = n_iΩ) der mindestens zwei Komponenten des Modulationsignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F= Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
8. eine Phasenbestimmungseinrichtung (10) zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz zwischen der von der Filtereinrichtung gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum des vom Modulationssignalgenerator (6) erzeugten Modulationssignals MS aus nur zwei Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω₁ und Ω₂ besteht, die ganzzahlige Vielfache der Bezugsgrundfrequenz Ω sind, mit den ganzen Zahlen n₁ und n₂, wobei gilt Ω₁ = n₁Ω, Ω₂ = n₂Ω und n₁ + n₂ eine ungerade Zahl ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß gilt:
Ω_F < Ω₁und
Ω_F < Ω₂.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Filtereinrichtung (8) aus dem Spektrum von IS gefilterte Frequenz die Bezugsgrundfrequenz Ω ist, d. h. Ω_F= Ω, und n₁, n₂ die Werte
n₁ = 2, n₂ = 3 oder
n₁ = 3, n₂ = 4 oder
n₁ = 2, n₂ = 5 oder
n₁ = 2, n₂ = 7 oder
n₁ = 5, n₂ = 8 annimmt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplituden der beiden Spektralkomponenten im Spektrum MS so gewählt sind, daß aufgrund der Modulation die Amplituden der Phasenmodulationshübe m_1,2 der beiden Spektralkomponenten in dem erzeugten Spektrum der Phasendifferenz (ϕ'_ext(t)) zwischen den Strahlen E und R an deren Überlagerungspunkt die Werte
m₁ = 2,6; m₂ = 1,3 bei n₁ = 2, n₂ = 3 oder
m₁ = 3,0; m₂ = 2,7 bei n₁ = 3, n₂ = 4 oder
m₁ = 3,8; m₂ = 1,9 bei n₁ = 2, n₂ = 5 oder
m₁ = 4,8; m₂ = 1,9 bei n₁ = 2, n₂ = 7 oder
m₁ = 5,0; m₂ = 4,0 bei n₁ = 5, n₂ = 8 annehmen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß n₁ = 2, n₂ = 3 gewählt ist und eine Modulationsamplituden- Einstelleinrichtung (MAEE) des Modulationssignalgenerators (6) die Phasenmodulationshübe m_1,2 der zwei Modulationskomponenten so einstellt, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:
|J₁(m₁)J₁(m₂) + J₅(m₁)J₃(m₂) + J₇(m₁)J₅(m₂) + J₁₁(m₁)J₇(m₂) + ... | = |J₂(m₁)J₁(m₂) - J₄(m₁)J₃(m₂) + J₈(m₁)J₅(m₂) - J₁₀(m₁)J₇(m₂) + ... |,
wobei J_n die n-te Besselfunktion ist, und m_1,2 die Phasenmodulationshübe der beiden Komponenten im Spektrum der Modulation der Phasendifferenz ϕ'_ext(t) bedeutet.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssignal (MS) aus mehreren Komponenten von rechteckigen oder sinusförmigen Signalen mit den jeweiligen Frequenzen Ω_i zusammengesetzt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendeeinrichtung (16) mindestens einen Halbleiterlaser (DL) umfasst, der mindestens einen der beiden Laserstrahlen (M, R) erzeugt und die Modulationseinrichtung (16-1) eine Frequenzmodulation durch Modulation des Injektionsstromes herbeiführt.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlen (E, R) einen optischen Wegunterschied 2L aufweisen und die Modulationseinrichtung (16-1) die Modulation der Phasendifferenz ϕ_ext durch eine Frequenzmodulation von mindestens einem der Strahlen M oder R mit einem Spektrum der Frequenzmodulation durchführt, so daß mindestes zwei Komponenten bei den Frequenzen Ω_i mit den Frequenzmodulationshüben Δω_i auftreten, und die daraus folgenden Phasenmodulationhübe bei den Komponenten Ω_i des Phasenmodulationsspektrums durch die Formel
m_i = Δω_i2L/c
gegeben sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, daß eine Modulationsamplituden-Einstelleinrichtung (MAEE) des Signalgenerators (6) die Frequenzmodulationshübe Δω_i bei einer Änderung des Gangunterschieds (2L) der beiden interferierenden Meßstrahlen (E, R) während einer Messung umgekehrt proportional zur Gangunterschiedsänderung einstellt.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von außen beeinflußte Verschiebung der Phase Δϕ durch eine Abstandsänderung ΔL eines Reflektors (4) hervorgerufen wird und die Phasenbestimmungseinrichtung (10) ferner aus der Bestimmung der Änderung von ϕ_ext die Abstandsänderung ΔL bestimmt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenbestimmungseinrichung (10) ferner aus der Ableitung der Abstandsänderung nach der Zeit, (dϕ_ext/dt) die Geschwindigkeit des Reflektors (4) und aus der Abstandsänderung als Funktion der Zeit (ΔL(t)) das Vibrationsspektrum des Reflektors bestimmt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand L des Reflektors (4) konstant ist, aber die Wellenlänge der Strahlen E und R kontinuierlich von dem bekannten Wert λ₁ zu dem bekannten Wert λ₂ abgestimmt wird und die Phasenbestimmungseinrichtung (10) ferner aus der dabei beobachteten Änderung von ϕ_ext den Abstand L des Reflektors (4) bestimmt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl E durch ein Meßvolumen geführt wird, das ein Medium mit einem Brechungsindex n enthält, der sich als Folge einer Änderdung des Druckes, der Zusammensetzung des Mediums oder der Temperatur ändert und die Phasenbestimmungseinrichtung(10) durch die Bestimmung der Änderung von ϕ_ext auch die Änderung von n, und damit auch des Druckes, der Zusammensetzung des Mediums oder der Temperatur, bestimmt.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Strahlen (E, R) durch eine Michelson- Interferometer-Anordnung (MIC) oder eine Mach-Zehnder- Interferometer-Anordnung (MZ) zur Interferenz gebracht werden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte oder Teile der Sende- und Empfangseinheit (16) sowie die Strahlen E und M als integrierte Optik oder durch Lichtleitfasern realisiert sind.

18. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung eine Photodiode (PD) ist, die Sendeeinrichtung (1) ein Laser ist, ein Teil des von dem Laser ausgesendeten Laserstrahls nach Durchlaufen einer Strecke (2L), in der die äußere Beeinflussung der Phase um Δϕ als Folge der Änderung der Meßgröße stattfindet, in den Laser zurückgeführt wird und ein Photodetektor (PD) eine Änderung der Laserleistung aufgrund der Interferenz des zurückgeführten Laserstrahls und des im Laserresonator befindlichen Laserstrahles erfaßt und das Interferenzsignal IS auf Grundlage davon ausgibt.

19. Verfahren zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz (ϕ_ext) von interferierenden Strahlen umfassend die folgenden Schritte:

1. Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und Aussenden des Meßstrahls mittels einer Sendeeinrichtung (16);
2. Überlagern eines Empfangsstrahls (E), der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit dem Referenzstrahl (R) mittels einer Überlagerungsrichtung (16);
3. Erfassen der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl, und Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt, mittels einer Detektoreinrichtung (16);
4. Modulieren der Frequenz von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) mit einem Modulationssignal mit einem Spektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind und phasenstarr zueinander gekoppelt sind, mittels einer Modulationseinrichtung (16);
5. Filtern des elektrischen Detektorsignals (IS), und Extrahieren einer Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, wobei n eine natürliche Zahl ungleich null ist, mittels einer Filtereinrichtung (8);
6. wobei n und die Frequenzen Ω_i der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt werden, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F= Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
7. Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Strahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz zwischen der von der Filtereinrichtung (8) gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F, mittels einer Phasenbestimmungseinrichtung (10).

20. Verfahren zum Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext von interferierenden Strahlen umfassend die folgenden Schritte:

1. Erzeugen eines Meßstrahls (M) und eines Referenzstrahls (R), und Aussenden des Meßstrahls mittels einer Sendeeinrichtung (16);
2. Überlagern eines Empfangsstrahls, der aus dem Meßstrahl durch eine von außen beeinflußte Verschiebung der Phase um einen Phasenbetrag (Δϕ) hervorgeht, mit dem Referenzstrahl mittels einer Überlagerungseinrichtung (16);
3. Erfassen der Interferenz zwischen Meß- und Referenzstrahl und Ausgeben eines elektrischen Detektorsignals (IS), das eine Auswirkung dieser Interferenz anzeigt mittels einer Detektoreinrichtung (16);
4. Modulieren der Phase von mindestens einem der Strahlen Meßstrahl, Referenzstrahl, Empfangsstrahl (M, E, R) mit einem Modulationssignal mit einem Spektrum, das aus mindestens zwei voneinander verschiedenen Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω_i(i = 1, 2, ... k) besteht, die jeweils Vielfache Ω_i = n_iΩ, wobei n_i eine natürliche Zahl ungleich null ist, einer Bezugsgrundfrequenz Ω sind, und zueinander phasenstarr gekoppelt sind, mittels einer Modulationseinrichtung (16);
5. Filtern des elektrischen Detektorsignals (IS) und Extrahieren einer Spektralkomponente I_Ω _F bei einer Frequenz Ω_F = nΩ, die ungleich einer der Modulationsfrequenzen Ω_i und ungleich einer der Obertöne der Modulationfrequenzen ist, mittels einer Filtereinrichtung (8);
6. wobei n und die Frequenzen (Ω_i) der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß sich die Spektralkomponente I_Ω _F ergibt als
I_Ω _F= Acos(Ω_Ft)cos(ϕ_ext) + Bsin(Ω_Ft)sin(ϕ_ext),
und die Amplituden der mindestens zwei Komponenten des Modulationssignalspektrums so gewählt sind, daß der Betrag von A ungefähr gleich dem Betrag von B ist; und
7. Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz ϕ_ext der interferierenden Meßstrahlen durch Bestimmen der Änderung der Phasendifferenz zwischen der von der Filtereinrichtung (8) gelieferten Spektralkomponente (I_Ω _F) und einem mit der Bezugsfrequenz Ω phasenstarr verkoppelten Referenzsignal mit der Frequenz Ω_F mittels einer Phasenbestimmungseinrichtung (10).

21. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß das Spektrum der Frequenz- oder Phasenmodulation aus nur zwei Spektralkomponenten mit den Frequenzen Ω₁ und Ω₂ besteht, die ganzzahlige Vielfache der Bezugsgrundfrequenz Ω sind, mit den ganzen Zahlen n₁ und n₂, wobei gilt Ω₁ = n₁Ω, Ω₂ = n₂Ω und n₁ + n₂ eine ungerade Zahl ist.

22. Verfahren nach den Ansprüchen 19, 20, oder 21 dadurch gekennzeichnet, daß gilt,
Ω_F < Ω₁ und
Ω_F < Ω₂ ist.

23. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die aus dem Spektrum von IS gefilterte Frequenz Ω_F die Bezugsgrundfrequenz ist, also Ω_F = Ω gilt, und für n₁ und n₂ die Werte
n₁ = 2, n₂ = 3 oder
n₁ = 3, n₂ = 4 oder
n₁ = 2, n₂ = 5 oder
n₁ = 2, n₂ = 7 oder
n₁ = 5, n₂ = 8 gewählt werden.

24. Verfahren nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß für die Amplituden der Phasenmodulationshübe m_1,2 der beiden Spektralkomponenten in dem durch die Modulation erzeugten Spektrum der Phasendifferenz (ϕ'_ext(t)) zwischen den Strahlen E und R an deren Überlagerungspunkt die Werte
m₁ = 2,6; m₂ = 1,3 bei n₁ = 2, n₂ = 3 oder
m₁ = 3,0; m₂ = 2,7 bei n₁ = 3, n₂ = 4 oder
m₁ = 3,8; m₂ = 1,9 bei n₁ = 2, n₂ = 5 oder
m₁ = 4,8; m₂ = 1,9 bei n₁ = 2, n₂ = 7 oder
m₁ = 5,0; m₂ = 4,0 bei n₁ = 5, n₂ = 8 gewählt werden.

25. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß n₁ = 2, n₂ = 3 gewählt wird und die Phasenmodulationshübe m_1,2 so gewählt werden, daß die folgende Gleichung erfüllt ist:
|J₁(m₁)J₁(m₂) + J₅(m₁)J₃(m₂) + J₇(m₁)J₅(m₂) + J₁₁(m₁)J₇(m₂) + ... | = |J₂(m₁)J₁(m₂) - J₄(m₁)J₃(m₂) + J₈(m₁)J₅(m₂) - J₁₀(m₁)J₇(m₂) + ... |,
wobei J_n die n-te Besselfunktion ist.

26. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Halbleiterlaser (LD) mindestens einen der beiden Laserstrahlen (M, R) erzeugt und eine Frequenzmodulation durch Modulation des Injektionsstromes herbeigeführt wird.

27. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlen einen optischen Wegunterschied von 2L aufweisen und das Spektrum der Frequenzmodulation mindestes zwei Komponenten bei den Frequenzen Ω_i mit den Frequenzmodulationshüben Δωi aufweist und die daraus folgenden Phasenmodulationhübe bei den Komponenten Ω_i des Phasenmodulationsspekturms durch die Formel
mi = Δω_i2L/c
gegeben sind, wobei c die Lichtgeschwindigkeit ist.

28. Verfahren nach Anspruch 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenmodulationshübe m_i bei einer Änderung des Gangunterschieds (2L) der beiden interferierenden Meßstrahlen (E, R) während einer Messung umgekehrt proportional zur Gangunterschiedsänderung eingestellt werden.

29. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die von außen beeinflußte Verschiebung der Phase Δϕ durch eine Abstandsänderung ΔL eines Reflektors hervorgerufen wird und aus der Bestimmung der Änderung von ϕ_ext die Abstandsänderung ΔL bestimmt wird.

30. Verfahren nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Ableitung der Phasenänderung nach der Zeit (dϕ_ext/dt)die Geschwindigkeit des Reflektors und aus der Abstandsänderung als Funktion der Zeit ΔL(t) das Vibrationsspektrum des Reflektors bestimmt wird.

31. Verfahren nach Anspruch 27 oder 29, dadurch gekennzeichnet, daß daß der Abstand L des Reflektors (4) konstant bleibt, aber die Wellenlänge der Meß- und Referenzstrahlen (M und R) kontinuierlich von dem bekannten Wert λ₁ zu dem bekannten Wert λ₂ abgestimmt wird und aus der dabei beobachteten Änderung von ϕ_ext der Abstand L des Reflektors bestimmt wird.

32. Verfahren nach Anspruch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (M) durch ein Meßvolumen geführt wird, das ein Medium mit einem Brechungsindex n enthält, der sich in folge einer Änderdung des Druckes oder der Zusammensetzung des Mediums oder der Temperatur ändert und durch die Bestimmung der Änderung von ϕ_ext auch die Änderung von n, und damit auch des Druckes, der Zusammensetzung des Mediums und der Temperatur, bestimmt wird.

33. Verfahren nach Ansprüch 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Strahlen (E, R) durch eine Michelson- Interferometer-Anordnung (MIC) oder eine Mach-Zehnder- Interferometer-Anordnung (MZ) zur Interferenz gebracht werden.

34. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektionseinrichtung eine Photodiode (PD) ist, die Sendeeinrichtung ein Laser ist, ein Teil des von dem Laser ausgesendeten Laserstrahls M nach Durchlaufen einer Strecke (2L) als Empfangsstrahl E in den Laser zurückgeführt wird und von einem Photodetektor (PD) eine Änderung der Laserleistung aufgrund der Interferenz des zurückgeführten Laserstrahls und des im Laserresonator befindlichen Laserstrahles erfaßt wird, und als Interferenzsignal IS ausgibt.