DE19823951C2

DE19823951C2 - Fokussensor für Hochenergielaser

Info

Publication number: DE19823951C2
Application number: DE19823951A
Authority: DE
Inventors: Peter M Livingston
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 2001-06-21
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: ITMI981264A1; JPH1114464A; KR19990006419A; DE19823951A1; CA2235238A1; JP3091840B2; CA2235238C; US5841125A

Description

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen aktive optische Systeme und insbesondere interferometrische Sensoren, die für die Mes sung von Fokusänderungen benutzt werden, die aus der Hitzeent wicklung in optischen Hochleistungssystemen und den damit ver bundenen Verzerrungen der Wellenfront dieser Hochleistungsstrah len resultieren. Der Begriff "aktive Optiken" bezieht sich auf optische Komponenten, deren Eigenschaften zur Steuerung opti scher Wellenfronten während des eigentlichen Betriebes einge stellt werden. Der Begriff "optischer Strahl" beschreibt die Ausbreitungsrichtung einer Strahlung und eine "Wellenfront" ist eine dreidimensionale Oberfläche konstanter Lichtweglänge, die orthogonal zu einer aus einer Strahlungsquelle austretenden Strahlengruppe ist. Um ein Bild einer punktförmigen Strahlen quelle zu erhalten, müssen alle Strahlen in dieser Gruppe die selbe optische Weglänge aufweisen. In einem Medium mit konstan tem Brechungsindex wird dies durch die Erzeugung einer sphäri schen Wellenfront oder, wenn die Punktquelle im Unendlichen liegt, einer planaren Wellenfront erreicht. Obwohl die geometri schen Vorstellungen von optischen Strahlen und Wellenfronten keine reale physikalische Existenz haben, sind diese für den Entwurf und das Verständnis von optischen Systemen unverzichtbar und werden daher in dieser Beschreibung benutzt.

In Anwendungen von Hochleistungs- oder Hochenergielaserstrahlen, der Begriff ist austauschbar, kann die Absorption der Laser strahlen durch optische Elemente mit nachfolgenden Abbildungsfehlern zu einer Verzerrung der Wellenfront des Hochlei stungsstrahls führen, insbesondere mit einer Änderung des Fokus. Diese Fokusänderung kann beträchtlich sein und ohne Einrichtun gen zur Erkennung und Korrektur dieser Fokusänderung kann sich die Brauchbarkeit des Lasersystems deutlich verschlechtern. Hochenergetische optische Lasersysteme haben eine Ausgangslei stung von ca. einer Million Watt, stellen eine relativ neue Ent wicklung dar und sind in industriellen Anwendungen noch nicht weit verbreitet. Folglich hat sich der Stand der Technik noch nicht unmittelbar mit dem Problem der Fokusänderungen von hochenergetischen Laserstrahlen beschäftigt. Mögliche industri elle Anwendungen schließen Schweiß- oder Schneidevorgänge mit Hilfe von Lasern ein, die gemeinhin in verschiedenen Industrien Anwendung finden, beginnend bei der Automobilherstellung, der Bekleidungsindustrie und der mikroelektronischen Industrie und anderen Präzisionslaserschweiß- und -herstellungsindustrien.

Eine Vorrichtung zur Fokusdetektion mit einer Korrektur der Wel lenfrontaberration unter Verwendung von elektrischen Berechnun gen ist im US-Patent Nr. 4 748 321 offenbart. Diese Vorrichtung nutzt zur Korrektur der Wellenfrontaberration komplexe elektro nische numerische Berechnungen und ist für die Aufgabe, ledig lich Fokusänderungen zu erkennen, unverhältnismäßig komplex.

Zusätzlich ist ein interferometrisches System, das mit einem De tektor zur Kompensation der Wellenfrontaberration verbunden ist, in US-Patent Nr. 4 682 025 offenbart. Diese Vorrichtungen nutzen komplexe Detektoranordnungen und mehrfache flexible Spiegelele ente, die ebenfalls unverhältnismäßig komplex für die Aufgabe, lediglich die Fokusänderung in Hochenergielaserstrahlen zu er kennen, sind. Soweit kann festgestellt werden, daß kein bekann tes System alle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung beinhaltet.

Die Überlagerungsinterferometrie ist eine Methode, die in eini gen bekannten Systemen genutzt wird. Bei dieser Methode werden die Phasenwinkelunterschiede, die an einer Wellenfront gemessen werden, von einem dem System überlagerten hochfrequenten "Zit ter"-Signal getragen. Diese Phasenwinkelunterschiede werden dann in einem synchronen Detektionsschritt extrahiert. Der hauptsäch liche Vorteil der Überlagerungsinterferometrie ist, daß sie in hohem Maße unempfindlich gegenüber Rauschsignalen ist, die noch malerweise die Genauigkeit der Phasenwinkelmessung verzerren würden. In einer Publikation von N. A. Massie et al.: "Flow Field Testing with 64 Parallel Channel Heterodyne Interferometer", Proc. of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol. 351, Wavefront Sensing, pp. 141-147, August 1982, und in anderen darin zitierten Publikationen wird eine Version einer Vorrichtung offenbart, auf die als Überlagungsinterferometer verwiesen wird. Dennoch verbinden andere Strahlensysteme diese Methode nicht mit einem interferometrischen Sensor einfacher Bauweise.

Aus dem US-Patent 4 474 467 ist ein Wellenfrontsensor mit zwei reflektierenden Brechungsgittern für akustische Oberflächenwel len bekannt. Mit Hilfe eines Strahlteilers und zweier Photode tektoren lassen sich zweidimensionale Informationen über die Wellenfront erhalten.

In dem US-Patent 5 026 977 wird die Wellenfronterfassung und Wellenfrontkorrektur mit Hilfe eines verformbaren Spiegels be schrieben. Bei diesem System wird ein Anteil eines kohärenten Laserstrahles entlang eines ersten Weges und ein weiterer Anteil des Strahles entlang eines zweiten Weges, welcher zu einem auf einer piezoelektrischen Membran geformten Spiegels führt, ge führt. Nach der Reflexion werden beide reflektieren Strahlen auf einer Photodetektormatrix gemischt und das Ausgangssignal des Photodetektors zur Bestimmung der Ladungsverteilung auf der pie zoelektrischen Membran analysiert.

Trotz dieser Entwicklungen besteht weiterhin der Bedarf nach ei ner schnellen, einfachen und zuverlässigen Methode zur Erkennung und Messung der Fokusänderung eines Hochenergielaserstrahls. Idealerweise wird der Fokusänderungssensor ein einfaches Instru ment mit möglichst wenigen beweglichen Teilen sein, auf einer zuverlässigen und erprobten Technologie basieren und eine schlichte und robuste Bauweise aufweisen, die schnelle und zu verlässige Messungen ermöglichen. Des weiteren sollte der Fokus sensor für Hochenergielaser weniger komplex sein als andere be kannte interferometrische Systeme und sollte in der Lage sein eine Messung der Fokusänderungen ohne komplexe numerische Be rechnungen zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen und weist zusätzliche Vorteile gegenüber be kannten Vorrichtungen auf.

KURZZUSAMMENFASSUNG

Im weitesten Sinne stellt die vorliegende Erfindung einen in sich geschlossenen (selbständigen) Fokussensor zur Verfügung, der in der Lage ist Fokusänderungskorrektursignale für einen Hochenergielaserstrahl, z. B. einen Laserstrahl mit über einer Million Watt Ausgangsleistung, zu erzeugen. Aber wie in der fol genden Beschreibung verdeutlicht ist, ist die vorliegende Er findung nicht auf Laserstrahlen mit Ausgangsleistungen im Be reich von einer Million Watt beschränkt. Spiegel und Linsen ver zerren proportional zur Bestrahlungsstärke (Watt/cm²) und nicht zu der auf sie gerichteten Leistung (Watt). Daher können kleine re Laser, die kleine Optiken benutzen, deutliche Verzerrungspro bleme haben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Werte der Bestrahlungsstärke in dem optischen System groß sein können. Um gekehrt können Millionen-Watt-Laser mit großen Optiken überhaupt keine Verzerrungsprobleme haben. Ist jedoch ein Millionen-Watt- Laser mit Optiken, deren Durchmesser einige Zehntel Zentimeter hat, erwünscht, können Linsenverzerrungen schwerwiegende Proble me erzeugen. Da alle praktischen Anwendungen optische Elemente zu relativ kleinen Baugrößen zwingen, wird die Kontrolle des Fo kus unentbehrlich.

Der erfindungsgemäße Fokussensor für die optischen Strahlen ei nes Hochenergielasers umfaßt Neigungskorrektureinrichtungen zur Korrektur der Neigung eines Eingangsstrahles, Strahlteilerein richtungen zur Teilung des Eingangsstrahles in einen Referen zarmstrahl und einen Probenstrahl, Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahles mit nahezu planarer Wellenfront aus dem Referenzarmstrahl, Einrichtungen zur Modulation des Referenz strahles mit einem hochfrequenten elektrischen Zittersignal, ei ne axial justierbare Linse zur Erzeugung von Wellenfrontänderun gen in dem Referenzstrahl, Einrichtungen zur Rekombination des Probenstrahles und des Referenzstrahles, um ein Interferenzmu ster zu erzeugen, sowie Detektionseinrichtungen zur Erzeugung von elektrischen Signalen, die das Interferenzmuster wiederge ben. Der erfindungsgemäße Fokussensor weist weiterhin einen mit der Detektionseinrichtung verbundenen elektrischen Schaltkreis auf, wobei der elektrische Schaltkreis synchrone Detektorein richtungen zur Entfernung der Zitterfrequenzkomponenten aus den elektrischen Signalen und Einrichtungen zur Erzeugung eines Fokusänderungskorrektursignales aus den elektrischen Signalen und schließlich Einrichtungen für die Kopplung des Fokusänderungs korrektursignales an die axial justierbare Linse, so daß die axial justierbare Linse automatisch eingestellt wird, um die Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahles auf die des Probenstrahles anzupassen.

Das Neigungskorrektursystem umfaßt bevorzugt einen Steuerspie gel, einen Strahlteiler(-Aufnehmer) und einen Vierzellendetek tor. Der Steuerspiegel ist ein reflektierender bewegbarer Spie gel, der kontinuierlich zur Änderung der Neigung des Eingangsstrahls eingestellt werden kann, während der halbdurchlässige Strahlteiler und -aufnehmer einen Teil des Ein gangsstrahls vom Steuerspiegel zum Vierzellendetektor richtet. Der Vierzellendetektor erzeugt proportional zu der Menge des auf die Vierzellendetektoroberfläche abgeleiteten einfallenden Lich tes ein Signal und nutzt dieses Signal, um den Steuerspiegel zum Nullabgleich des Signals zu steuern.

Der elektrische Schaltkreis umfaßt bevorzugt weiterhin einen Transimpedanzverstärker, Integrationseinrichtungen zur Erzeugung eines Fehlersignals, das die Fokusänderungen in dem hoch energetischen Eingangslaserstrahl wiedergibt, und einen Steuer verstärker, der ein Fokusänderungskorrektursignal ausgibt. Die justierbare Linse wird mit einem elektrischen Servokreis- Schaltkreis zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls automatisch eingestellt, um diese der des Pro benstrahls anzupassen. Da der Gegenstand der Erfindung weder komplexe numerische Berechnungen zur Erkennung der Fokusänderung eines Strahls benötigt noch zahlreiche bewegbare Komponenten verwendet, wie z. B. ein Detektorarray oder mehrfache flexible Spiegel- oder Linsenelemente, ist die Bauweise weniger teuer, einfacher und daher robuster.

Im Sinne einer Methode zur Erkennung einer Fokusänderung eines hochenergetischen Laserstrahls umfaßt diese Erfindung grundle gende Maßnahmen zur Korrektur beliebiger Neigungen von Eingangs strahlen, Teilung des Eingangsstrahles in einen Referenz armstrahl und einen Probenstrahl, Erzeugung eines Referenzstrah les aus dem Referenzarmstrahl und Kombination des Probenstrahls und des Referenzstrahls, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das anschließend von einem Detektor detektiert wird. Der Proben strahl ist bevorzugt auf einen sich in einem Schenkel des Inter ferometers der Michelson-Bauart befindenden reflektierenden Spiegel gerichtet und kann durch einen Dämpfungsfilter geleitet werden, falls eine Photonendämpfung notwendig ist. Zusätzlich umfaßt die Erfindung Maßnahmen zur Modulation des Refe renzsignals mit einem hochfrequenten Zittersignal, um ein zeit lich sich änderndes Signal über der Detektoroberfläche zu erzeu gen. Der Detektor erzeugt dann ein sinusförmiges elektrisches Signal als Antwort auf das zeitlich sich ändernde Signal.

Die verbleibenden Maßnahmen dieser Methode umfassen eine syn chrone Detektion des sinusförmigen elektrischen Signals des De tektors, der durch die Entfernung der Zitterfrequenzkomponenten demoduliert, eine Integration der detektierten Signale zur Er zeugung eines Fokusänderungskorrektursignals, wie des zeitlichen Integrals des demodulierten sinusförmigen elektrischen Signals, wobei das Fokusänderungskorrektursignal die Fokusänderung des Strahls wiedergibt, und eine Kopplung des Fokusänderungskorrek tursignals an eine axial justierbare Linse, wobei die justier bare Linse zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls automatisch eingestellt wird, um diese an die des Probenstrahls anzupassen. Hinter dem Strahlteiler kann das Fokusänderungskorrektursignal zur Beseitigung oder Kompensation der Fokusänderung des hochenergetischen Laserstrahls benutzt werden.

Ausgehend hiervon ist festzustellen, daß die vorliegende Erfin dung einen deutlichen Fortschritt auf dem Bereich der aktiven optischen Systeme darstellt. Insbesondere stellt diese Erfindung ein neigungskorrigiertes Überlagerungsinterferometer einer ein fachen und zuverlässigen Bauweise zur Verfügung, in dem ein Ein gangsstrahl überprüft und mit einem Referenzstrahl verglichen wird. Der Referenzstrahl wird dann unter Verwendung einer axial justierbaren Linse zur Erzeugung einer Phasenkrümmung einge stellt, um diese der des Probenstrahls anzupassen. Die axial ju stierbare Linse stellt einen kennzeichnenden Vorteil der Erfin dung dar. Das aus der Einstellung des Referenzstrahls resultie rende Signal kann dann zur Korrektur einer beliebigen Fokusände rung in dem hochenergetischen Laserstrahl benutzt werden. Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden de taillierteren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

KURZBESCHREIBUNG DER BEIGEFÜGTEN ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Prinzips eines Michelson-Interferometers.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Fokussensors für hochenergetische Laser in Übereinstimmung mit der Erfindung.

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines elektro-optischen Servoschaltkreises, der in dem Fokussensor für hochenergetische Laser aus Fig. 2 verwendet wird.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG

Wie in den Zeichnungen zur Veranschaulichung gezeigt ist, be trifft die vorliegende Erfindung eine Anwendung eines aktiven optischen Systems zur Erkennung von Fokusänderungen von hoch energetischen Laserstrahlen. Die Erkennung von Fokusänderungen beruhte in der Vergangenheit prinzipiell auf Verfahren zur Re konstruktion von Wellenfronten. Diese Verfahren erfordern kom plexe digitale numerische Berechnungen und/oder komplexe opti sche Komponenten, wie z. B. flexible Spiegel unter Servokreis steuerung. Diese Verfahren, obwohl sie zur Erkennung von Fokus änderungen bei Anwendungen von hochenergetischen Laserstrahlen geeignet sind, erfordern komplexe und zahlreiche Komponenten und Steuermechanismen, die diese unnötig teuer, aufwendig und unzu verlässig machen. Die vorliegende Erfindung nutzt eine wesent lich einfachere robuste Bauweise, die schnelle und zuverlässige Messungen von Fokusänderungen ermöglicht.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Erkennung von Fo kusänderungen schnell und einfach unter Verwendung von Einrich tungen eines Fokusänderungssensors durchgeführt, die ein Inter ferometer der Michelson-Bauart umfassen. Das Interferometer wird automatisch zur Variation der Phasenkrümmung des Referenzstrahls derart gesteuert, daß diese mit der des Probenstrahls überein stimmt. Die elektrischen Kontrollsignale, die zur Steuerung des Interferometers benutzt werden, geben die Fokusänderung des Pro beneingangsstrahls wieder und können zur Korrektur der Fokusän derung eines hochenergetischen Laserstrahls benutzt werden.

Im Sinne einer Darstellung der Grundlagen ist in Fig. 1 ein Mi chelson-Interferometer abgebildet. Ein Eingangsstrahl, bezeich net durch die Referenzziffer 10, fällt auf einen halbdurchlässi gen Strahlteiler 12. Ein Teil des Eingangsstrahles geht durch den Strahlteiler 12 zu einem planen Referenzspiegel 14, während der übrige Teil in einem Winkel von 90° zu einem bewegbaren pla nen Spiegel 16 reflektiert wird. Etwas des vom Referenzspiegel 14 reflektierten Lichts wird am Strahlteiler 12 erneut reflek tiert und fällt durch eine Feldlinse 18 und auf eine Beobach tungsebene 20. In ähnlicher Weise fällt etwas des von dem be wegbaren Spiegel 16 reflektierten Lichts durch den Strahlteiler 12, wonach es sich mit dem Licht vom Referenzspiegel 14 kombi niert, und fällt durch die Feldlinse 18 und auf die Beobach tungsebene 20. Die zwei Strahlen des Lichts, die auf der Beob achtungsebene 20 ankommen, haben unterschiedliche optische Wege zurückgelegt und haben im allgemeinen eine unterschiedliche re lative Phase. Im ursprünglichen Michelson-Interferometer konnte der Spiegel 16 mit Einrichtungen einer Mikrometerschraube bewegt werden und die resultierenden Interferenzstreifen auf der Beob achtungsebene 20 wurden benutzt, um den optischen Weglängenun terschied zwischen den Schenkeln auf Null (weiße Lichtquelle) oder ein vielfaches dieser Wellenlänge (kohärente Lichtquelle) abzugleichen.

Das Interferometer der vorliegenden Erfindung nutzt das Michel son-Prinzip in einer neuartigen Bauweise, die in Fig. 2 gezeigt ist. Die vorliegende Erfindung nutzt ein Neigungskorrektur system, im allgemeinen durch 25 bezeichnet, um zu gewährleisten, daß der in das Interferometer geschickte Eingangsstrahl zen triert wird. Das Neigungskorrektursystem 25 umfaßt einen Steuer spiegel 30, einen Strahlteiler(-Aufnehmer) 32 und einen Vierzellendetektor 36. Ein Interferometereingangsstrahl 40 fällt in ei nem Winkel von 45° auf einen 50-50 Strahlteiler 42, der den Strahl in einen Probenstrahl 44 und einen Referenzarmstrahl 50 teilt. Der Referenzarmstrahl 50 wird mit einer Linse 52 durch einen räumlichen Lochfilter 54 fokussiert und mit einer Linse 56 auf einen Spiegel 58 rekollimiert. Vom Spiegel 58 reflektiertes Licht wird mit der Linse 56 durch den räumlichen Lochfilter 54 fokussiert und mit der Linse 52 auf den 50-50 Strahlteiler 42 rekollimiert. Licht, das durch den räumlichen Filter 54 zurück reflektiert und auf den 50-50 Strahlteiler 42 kollimiert wird, hat eine gleichförmige Phasenoberfläche, die durch den zweifa chen Durchgang durch den räumlichen Filter 54 entsteht, und scheint aus einer im Unendlichen liegenden punktförmigen Quelle auszutreten. Dieser reflektierte Strahl stellt den Referenz strahl 50 dar, hat eine nahezu planare Wellenfront und wird zu mindest teilweise durch den 50-50 Strahlteiler 42 in einem Win kel von 90° zu dem Detektor 64 reflektiert.

Im anderen Schenkel des Interferometers kann der Probenstrahl 44 durch einen Dämpfungsfilter 46 und auf einen planen Spiegel 48 fallen. Der Probenstrahl 44 wird dann zurück durch den Dämp fungsfilter 46 und zum 50-50 Strahlteiler 42 reflektiert, der einen beträchtlichen Teil dieses Strahls zur Rekombination mit dem Referenzstrahl durchläßt. Der rekombinierte Probenstrahl 44 und Referenzstrahl 50 fallen auf eine Linse 62, wo ein Interfe renzmuster erzeugt wird. Der Probenstrahl 44 und der Referenz strahl 50 werden mit der Linse 62 auf den Detektor 64 fokus siert. Der Detektor 64 ist ein photoelektrischer Wandler, der ein entsprechendes elektrisches Signal auf einer Ausgabeleitung 68 (s. Fig. 3) erzeugt, das zu einem elektronischen Modul ge koppelt ist, welches ein die Fokusänderung des Eingangsstrahls wiedergebendes Fokusänderungskorrektursignal berechnet und die ses Fokusänderungskorrektursignal über eine Leitung 84 (S. Fig. 3) zu der Linse 52 überträgt, die axial einstellbar ist.

Der Steuerspiegel 30 des Neigungskorrektursystems 25 ist ein re flektierender bewegbarer Spiegel, der kontinuierlich zur Änderung der Neigung des in das Interferometer geschickten Inter ferometereingangsstrahls 40 eingestellt werden kann, während der halbdurchlässige Strahlteiler(-Aufnehmer) 32 einen Teil des re flektierten Eingangsstrahls 28 vom Steuerspiegel 30 zum Vierzel lendetektor 36 sendet. Der Strahlteiler(-Aufnehmer) 32 erzeugt einen Neigungsprobenstrahl 34, der benutzt wird, um festzustel len, ob die einfallende Wellenfront geneigt ist. Der Neigungs probenstrahl 34 ist zu dem Vierzellendetektor 36 gerichtet. Der Vierzellendetektor 36 ist ein standardisierter π-förmiger Detek tor, der geeignet ist einfallendes Licht zu detektieren und dif ferentielles Detektorsignal zu erzeugen, das proportional zu der Menge des auf die Detektoroberfläche 64 abgelenkten einfallenden Lichtes ist. Wenn die Wellenfront des reflektierten Ein gangsstrahls 28 geneigt ist, stellt der Vierzellendetektor 36 ein Ungleichgewicht zwischen gegenüberliegenden Detektorelemen ten des Vierzellendetektors 36 fest und erzeugt das differenti elle Detektorsignal 38, das zur Steuerung des Steuerspiegel 30 benutzt wird, um das differentielle Detektorsignal 38 auf Null abzugleichen. Das durch das Vierzellensystem 36 der Erfindung erzeugte differentielle Detektorsignal 38 kann zur Bestimmung des Grades der Neigung der Wellenfront des reflektierten Ein gangsstrahls 28 benutzt werden, die dann korrigiert werden kann.

Die axial justierbare Linse 52 wird zur Änderung der Phasenkrüm mung des Referenzstrahls 50 bewegt, um diese an die des Proben strahls 44 anzupassen. In einem Ausführungsbeispiel wird die Linse 52 mit einem Schneckengetriebe axial eingestellt. Daher geben die elektrischen Detektorsignale auf Leitung 68 (s. Fig. 3) die Fokusänderung des Eingangsstrahls 22 an. Das in Fig. 2 abgebildete Instrument arbeitet als unabhängiger interferometri scher Sensor, der Fokusänderungskorrektursignale auf der Leitung 84 (s. Fig. 3) zur Verfügung stellt, die die Fokusänderung des Eingangsstrahls 22 angeben. Das in Fig. 2 gezeigte Interferome ter kann wirksam in hochenergetischen Laserstrahleinrichtungen zur aktiven Kompensation von Fokusänderungen eingesetzt werden.

Ein weiterer Aspekt des Interferometers aus Fig. 2 wird im fol genden beschrieben. Der zur Erzeugung des Referenzstrahls 50 be nutzte Spiegel 58 ist ebenfalls axial bewegbar. Das von einem Generator 74 stammende Phasenzittersignal wird über die Leitung 86 zugeführt, um den Spiegel 58 mit Einrichtungen eines geeigne ten piezoelektrischen Wandlers (s. Fig. 3) entlang seiner opti schen Achse zu oszillieren. Da die Zitterfrequenz typischerweise zur Vermeidung eines 1/f-Rauschens gewählt wird, beträgt die Zitterfrequenz etwa 10 kHz. Dies stellt den Überlagerungsaspekt des Aufbaus dar. Aufgrund des Zitterns des Spiegels 58 enthält der Referenzstrahl 50 Frequenzkomponenten, die die Summe und die Differenz der Frequenzen des Eingangsstrahls und des Zitter signals wiedergegeben.

Wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 kurz beschrieben wird, wird die Zitterkomponente in einem elektronischen Modul 90 durch eine synchrone Detektion unter Verwendung eines elektri schen Zittersignals 76, das vom Generator 74 zu dem Modul 90 übertragen wird, entfernt. Der primäre Vorteil dieses Überlage rungsvorganges des Interferometers ist, daß das Fokusänderungs signal wirkungsvoll auf eine zitterfrequente Trägerwelle modu liert wird und das System inhärent unempfindlich gegenüber Rau schen ist.

Fig. 3 zeigt die Komponenten des elektronischen Moduls 90. Die Komponenten umfassen einen Transimpedanzverstärker 70, einen synchronen Detektor 72, einen Integrator 78 und einen Steuerver stärker 82 zum Antrieb der axial justierbaren Linse 52. Vom De tektor 68 erhaltene elektrische Signale werden zuerst im Trans impedanzverstärker 70 verstärkt. Der Transimpedanzverstärker 70 ist ein Vorverstärker eines Typs, der üblicherweise in Verbin dung mit Photodetektoren zur Impedanzanpassung verwendet wird, und wird benutzt, um eine Aufladung des Detektors 64 zu verhin dern. Nach der Verstärkung wird ein vom Detektor 68 erhaltenes elektrisches Signal 71 synchron detektiert 72 und an einen Inte grator 78 weitergeleitet. Der Integrator 78 ist ein Standardbau teil und umfaßt einen Widerstand 92, eine Kapazität 94 und einen Operationsverstärker 96. Ein Fehlersignal, das vom Steuerver stärker 82 zur Ausgabe eines Fokusänderungskorrektursignales 84 verstärkt wird, tritt aus dem Integrator 78 auf Leitung 80 aus. Das Vorzeichen des Fokusänderungskorrektursignals 84 bestimmt die Richtung der Bewegung und dessen Größe bestimmt das Ausmaß der Bewegung. In einer Ausführung ist das Fokusänderungskorrek tursignal 84 an ein elektrisch angetriebenes Schneckengetriebe gekoppelt, das zum Antrieb der axial justierbaren Linse 52 be nutzt wird.

Die Messung der Fokusänderung umfaßt die Kombination des ver stärkten elektrischen Detektorsignals 71 mit einem synchronen zitterfrequenten Referenzsignal 76, um ein demoduliertes Ausgangssignal auf Leitung 73 zu erhalten, welches proportional zur Differenz zwischen den Phasenkrümmungen der Wellenfronten des Referenzstrahls 50 und des Probenstrahls 44 ist. Das demodu lierte Ausgangssignal 73 wird dann integriert, um ein Fokusände rungskorrektursignal zu erzeugen, wobei dieses Fokusänderungs korrektursignal das zeitliche Integral des demodulierten Aus gangssignals 73 ist. Das von dem Oszillator 74 erzeugte zitter frequente Signal wird ebenfalls über die Leitung 86 an den Spie gel 58 weitergeleitet. Der gezeichnete Servokreis-Schaltkreis ist ein sogenannter null-suchender Servokreis. In Übereinstim mung mit Gleichung (6) wird die Fehlercharakteristik bei Δf = 0 mit einem Vorzeichen, das mit dem Vorzeichen der Differenz der Fo kuslängen übereinstimmt, zu Null. Dies führt zu einer schnellen Synchronisation der Phasen des interferierenden Probenstrahls 44 und Referenzstrahls 50 und erzeugt ein Fokusänderungskorrektur signal 84, das den Referenzstrahls 50 in Phase mit dem Proben strahl 44 hält. Das Fokusänderungskorrektursignal 84 gibt die Fokusänderung des Eingangsstrahls 22 an.

Dieses Fokusänderungskorrektursignal kann durch die Berechnung einer Fehlercharakteristik analytisch quantifiziert werden. Un ter der Annahme einer Probenwelle E_s und einer Referenzwelle E_ref, die folgende Form haben, gilt:

a und b sind hier komplexe Konstanter, f₁ und f₂ sind die zwei fraglichen Fokuslängen und η, θ beschreiben die Ausdehnung des Hochfrequenz-Zitterspiegels 58 und dessen Frequenz, angegeben im Winkelformat, wobei beispielsweise das Produkt der Winkelfre quenzen die Zeit angibt. Die beiden Felder kombinieren sich an dem Strahlteiler 42, wie in Gleichung (1) gezeigt ist. Das Sum menfeld fällt durch die Linse 62 und wird auf dem Detektor 64 abgebildet. Das Fernfeld auf dem Detektor 64 ist die Fourier transformierte der Felder, die die Linsenapertur 62 ausfüllen. Die Transformierte wird unter der Annahme angenähert, daß bei einem gegen Unendlich gehenden Radius der Linse 62 der Durchmes ser der Linse 62 vielen Wellenlängen entspricht, um so eine ana lytische Berechnung der Transformierten zu erlauben. Das Schlüs selintegral hat die Form:

Mit dieser Transformation, der Definition der Felder in Glei chung (1) und der Fokuslänge f₃ der Linse 62 kann die Be strahlungsstärke in der Detektorebene 64 wie folgt beschrieben werden:

Der Winkel ϕ ist hier ein beliebiger Phasenwinkel zwischen dem Referenzstrahl 50 und dem Probenstrahl 44. Die Bestrahlungsstär ke füllt oder überfüllt die Apertur des Detektors 64, die den Durchmesser d hat. Daher ist die Detektorspannung I das Integral von I über die Aperturfläche:

Die Größe ξ beschreibt hier die Quantenausbeute des Detektors, h ist die Planck'sche Konstante und λ die Betriebswellenlänge. Eine elektrische Spannung, die proportional zu der in Gleichung (4) ist, wird synchron an 72 detektiert und an 78 integriert. Mathe matisch gesprochen multipliziert der Ausgang 76 des Zittergene rators die in der oben aufgeführten Gleichung gezeigte Spannung und mittelt das Ergebnis über eine Zitterperiode:

Abgesehen von einigen nicht bedeutsamen konstanten Verstärkungs faktoren ist die Spannung V_e die erwünschte Fehlerspannung, die das Fokusänderungskorrektursignal 84 wiedergibt. Die Konstante κ faßt alle räumlichen Größen, wie die Quantenausbeute, die Elek tronenladung, die Planck'sche Konstante usw., zusammen. Es ist zu bemerken, daß der erste Term in der Klammer eine gerade Funk tion von Δf/λ ist, während der zweite eine ungerade ist. Daher wird ein Wert von ϕ, der ungleich Null ist, den Nulldurchgang derart sperren, daß der Servo bei einer festen mittleren Phasen differenz zwischen den Wellenfronten des Probenstrahls 44 und des Referenzstrahls 50, die ungleich Null ist, sperrt. In einem passend konstruierten Interferometer kann dieser Phasenwinkel sorgfältig abgestimmt werden. Somit ist der geeignete endgültige funktionale Term für die Fehlercharakteristik:

Es ist klar, daß die Fehlercharakteristik proportional zu Größe und Vorzeichen von Δf und der Zittergröße sowie zu dem Gesamt verstärkungsfaktor durch den Vorverstärker 70, den Integrator 78 und den Steuerverstärker 82 ist. Die Fehlercharakteristik ver läßt den Steuerverstärker 82 als Fokusänderungskorrektursignal, wobei dieses Fokusänderungskorrektursignal mit der axial ju stierbaren Linse gekoppelt ist, die zur Anpassung der Phasen krümmung des Referenzstrahls 50 an die des Probenstrahls 44 ge eignet ist.

Während hier besondere Elemente, Ausführungsformen und Anwendun gen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, daß diese Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Modifikationen durch Fachleute, insbesondere angesichts der vorhergehenden Lehren, durchgeführt werden kön nen. Daher wird die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche so betrachtet, daß solche Modifikationen, wie die Einbeziehung der Merkmale, die im Bereich des Erfindungsgedankens sowie des Schutzbereichs der Erfindung liegen, abgedeckt sind.

Claims

1. Fokussensor für die optischen Strahlen eines Hochenergiela sers mit:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung eines Eingangsstrahls (22),
- Strahlteilereinrichtungen (42) zur Teilung des Eingangsstrahls (22) in einen Referenzarmstrahl (50) und einen Probenstrahl (44),
- Einrichtungen (54) zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) mit nahezu planarer Wellenfront aus dem Referenzarmstrahl (50),
- Einrichtungen (90) zur Modulation des Referenzstrahls (50) mit einem hochfrequenten elektrischen Zittersignal (76)
- einer axial justierbaren Linse (52) zur Erzeugung von Wellen frontänderungen in dem Referenzstrahl (50),
- Einrichtungen zur Rekombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektionseinrichtungen (64) zur Erzeugung von elektrischen Signalen (68), die das Interferenzmuster wiedergeben,
- einem mit den Detektionseinrichtungen (64) verbundenen elek trischen Schaltkreis, wobei der elektrische Schaltkreis synchro ne Detektoreinrichtungen zur Entfernung der Zitterfrequenzkompo nenten aus den elektrischen Signalen (68) und Einrichtungen zur Erzeugung eines Fokusänderungskorrektursignals (84) aus den elektrischen Signalen (68) umfaßt, und
- Einrichtungen für die Kopplung des Fokusänderungskorrektursi gnals an die axial justierbare Linse (52), so daß die axial ju stierbare Linse automatisch eingestellt wird, um die Phasenkrüm mung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) auf die des Pro benstrahls (44) anzupassen.

2. Fokussensor nach Anspruch 1, wobei:

- die Neigungskorrektureinrichtungen (25) einen Steuerspiegel (30) umfassen, der den Eingangsstrahl (22) zu einem Strahlteiler und -aufnehmer (32) reflektiert,
- der Strahlteiler und -aufnehmer (32) einen Neigungsproben strahl (34) zu einem Detektorelemente aufweisenden Vierzellende tektor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differenzielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

3. Fokussensor nach Anspruch 1, wobei:

- die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls einen Spiegel (58) umfassen, der den Referenzstrahl zu den Strahltei lereinrichtungen zurück reflektiert,
- die axial justierbare Linse (52) so angebracht ist, daß sie den Referenzstrahl (50) zu den Strahlteilereinrichtungen zurück sendet, und
- die Strahlteilereinrichtungen den Referenzstrahl (50) und den Probenstrahl (44) rekombinieren.

4. Fokussensor nach Anspruch 3, wobei die Einrichtungen zur Mo dulation des Referenzstrahls mit einem hochfrequenten Zittersi gnal (76) umfassen:

- einen Zitterfrequenzsignalgenerator (74) und
- Meßumformeinrichtungen, die mit dem Zitterfrequenzsignalge nerator (74) verbunden sind, um den zur Erzeugung des Referenz strahls benutzten Spiegel (58) zu oszillieren.

5. Fokussensor nach Anspruch 1, wobei die Einrichtungen zur Er zeugung eines Referenzstrahls aus dem Eingangsstrahl umfassen:

- einen räumlichen Lochfilter (54), der zum Empfang des Refe renzarmstrahls (50), der durch die axial justierbare Linse (52) fokussiert wird, angeordnet ist, und
- einen Spiegel (58) zur Reflektion des Referenzarmstrahls (50) zurück durch den räumlichen Lochfilter (54).

6. Fokussensor nach Anspruch 5, wobei:

- die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls zusätz lich eine rekollimierende Linse (62) zur Rekollimation des Refe renzarmstrahls (50), der aus dem räumlichen Lochfilter (54) aus tritt, umfassen,
- die axial justierbare Linse (52) als rekollimierende Linse ar beitet, und
- der Spiegel (58) zur Reflektion des Referenzarmstrahls (50) ein planer Spiegel ist.

7. Verfahren zur Erkennung von optischen Fokusänderungen, das die Maßnahmen umfaßt:

- Erzeugung eines Probenstrahls (44) aus einem Eingangsstrahl (22),
- Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem gleichen Ein gangsstrahl (22),
- Modulation des Referenzstrahls (50) mit einem oszillatorischen Zittersignal (76),
- Kombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektion des Interferenzmusters mit einem Detektor (64) und Erzeugung von das Interferenzmuster wiedergebenden elektrischen Signalen (68),
- eine synchrone Detektion von Phasendifferenzsignalen in den elektrischen Detektorsignalen (68) durch die Entfernung von Zit terfrequenzkomponenten,
- Integration der detektierten Signale zur Erzeugung eines Fo kusänderungskorrektursignals (84), und
- Anlegen der Fokusänderungskorrektursignale (84) an eine axial justierbare. Linse (52), so daß die justierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese der des Proben strahls (44) anzupassen.

8. Verfahren gemäß Anspruch 7, das zusätzlich die Maßnahmen um faßt:

- Korrektur des Eingangsstrahls (22) hinsichtlich der Neigung mit einem Steuerspiegel (30), einem Strahlteiler und -aufnehmer (32) und einem Vierzellendetektor (36), wobei
- der Steuerspiegel (30) den Eingangsstrahl (22) zu dem Strahl teiler und -aufnehmer (32) reflektiert,
- der Strahlteiler und -aufnehmer (322) einen Neigungsproben strahl (34) zu dem Detektorelemente aufweisenden Vierzellende tektor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differentielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.