DE2506675A1 - Optisches interferometer - Google Patents

Description

Optisches Interferometer

Die Erfindung betrifft ein optisches Interferometer, das sich insbesondere zur Weglängenmessung eignet und das zur Bestimmung der Richtung von Längenänderungen mit zwei Interferenzbildern arbeitet, die zueinander eine 90°-Phasenverschiebung aufweisen.

Für Längenmessungen sind bereits optische Interferometer bekannt, die eine eindeutige Richtungsbestimmung der Reflektorbewegung gestatten. Man benötigt zu diesem Zweck zwei Interferenzstreifensysteme, die in ihrer Phasenlage um 90° zueinander verschoben sein müssen. Um eine derartige 90°-Phasenverschiebung zu erreichen wurden schon eine Reihe von Möglichkeiten vorgeschlagen. Ein für Längenmessungen günstiger Lösungsweg besteht darin, durch geeignete optische Glieder die miteinander interferierenden Lichtbündel in einen entgegengesetzt zirkulär oder elliptisch polarisierten Zustand zu versetzen. Das durch Überlagerung resultierende Licht ist dann linear polarisiert und sein Schwingungsvektor rotiert, wenn auf einem der beiden Interferometerarme eine optische Weglängenveränderung stattfindet. Teilt man nun das linear polarisierte Licht in zwei Anteile mit gleich großer Lichtintensität auf und läßt diese je eine optisches Polarisationsfilter passieren, wobei die beiden Polarisationsfilter bezüglich ihrer Durchlaßrichtung um 45° gegeneinander gekreuzt stehen, so erhält man im Ergebnis zwei intensitätsmodulierte Lichtbündel mit der geforderten gegenseitigen Phasenverschiebung von 90°. Ein solches Verfahren erfordert jedoch

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einen erheblichen optischen Aufwand, der zu. dem mit beträchtlichen Lichtverlusten verbunden ist und außerdem auch noch Fehlerquellen bezüglich der Strahljustierung in sich birgt, die durch weitere Zusatzmaßnahmen kompensiert werden müssen. Außerdem v/erden bei Strahlumlenkungen in der Interferometeranordnung spezielle Umlenkvorrichtungen notwendig, damit der Polarisationszustand nicht verfälscht wird.

Zur Vermeidung dieser Nachteile hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, ein optisches Interferometer zu schaffen, mit dem eine gegenseitige Phasenwinkeldifferenz von 90° ohne Verwendung von elliptisch polarisiertem Licht erzeugt werden kann.

Der Lösung der Aufgabe wird eine bekannte Interferometeranordnung zugrundegelegt, die einer abgewandelten Form des Michelson-Interferometers entspricht. In dieser Anordnung sind die ebenen Spiegel durch Rechtwinkelprismen oder -spiegel ersetzt worden, so daß das am Strahlenteiler in einen reflektierten und einen hindurchgelassenen Anteil aufgespaltene Lichtbündel an den Winkelprismen parallel zur Strahleneinfallsrichtung, jedoch um eine gewisse Strecke seitlich verschoben, zurückgeworfen wird. Anschließend werden die beiden Teilstrahlenbündel im Strahlenteiler wieder zur Vereinigung gebracht.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß der Strahlenteiler beidseitig, im wesentlichen parallel zu seiner strahlenteilenden, teilverspiegelten Fläche angeordnet, jeweils eine weitere äußere strahlenteilende,teilverspiegelte Fläche aufweist, die Lichtanteile der beiden Teillichtbündel des

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Interferenzbildes umlenken und diese nochmals miteinander zur Interferenz "bringen. Man erhält auf diese Weise bei geeigneter Wahl des Abstandes der strahlenteilenden Flächen zueinander ein Interferenzbild, das durch die nochmalige Überlagerung gegenüber dem ursprünglichen Interferenzbild eine Phasenverschiebung von 90° aufweist.

Vorteilhafterweise ist der Strahlenteiler ein Teilungswürfel, der aus zwei, an den Basisflächen miteinander verkitteten gleichseitigen Rechtwinkelprismen besteht, wobei die Basisfläche eines der beiden Prismen teildurchlässig verspiegelt und in jedem der Prismen je eine weitere, parallel zur zugehörigen Basisfläche angeordnete, teildurchlässig verspiegelte Schicht angeordnet ist.

Weiterhin ist es von Vorteil, wenn der Strahlenteiler aus zwei, an den Basisflächen miteinander verkitteten Prismen besteht, wobei jedes der Prismen je eine parallel zur zugehörigen Basisfläche angeordnete, teildurchlässig verspiegelte Fläche besitzt und jeweils einer teildurchlässig verspiegelten Hälfte der Basisfläche des einen Prismas eine unverspiegelte Hälfte der Basisfläche des anderen Prismas gegenüberliegt.

Schließlich ist es von Vorteil, wenn die strahlenteilenden, Flächen halbdurchlässige Spiegelschichten sind.

Die Interferometeranordnung gemäß der Erfindung soll anhand eines Ausführungsbeispiels und mit Hilfe von zwei schematischen Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen die Fig. 1 den grundsätzlichen Aufbau des optischen Inter-

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ferometers unter Verwendung eines Strahlenteilerwürfels und

Pig. 2 eine spezielle Ausführungsform des Strahlenteilungswürfels im Querschnitt.

In Pig. 1 gelangt ein Lichtbündel i_Q einer Laserlichtquelle 1 über einen Kollimator 2 auf einen Strahlenteilungswürfel 3. Der Kollimator dient der Aufweitung des Lichtbündels Xq und der Erzeugung von ebenen Wellenfronten. Der Strahlenteilungswürfel 3 besitzt drei teildurchlässige Teilerschichten S₁; S₂ und S~, die parallel zueinander und um 45° gegen die Einfallsrichtung des Lichtbundeis i_Q geneigt angeordnet sind. An der Teilerschicht S₂ erfährt das Lichtbündel Iq eine Aufspaltung in ein Meßstrahlenbündel Iq₁ und ein Referenzstrahlenbündel in?· Durch ein R3chtwinke!prisma 4 als Meßreflektor und ein Rechtwinkelprisma 5 als Referenzreflektor werden die Lichtbündel i_Q1 und i_Q2 parallel zu sich selbst versetzt auf die Teilerschicht S« zurückgeworfen, wo sie am Ort P₁ miteinander zur Interferenz gelangen. Die von P₁ ausgehenden Lichtbündel I₁₁ und I₁₂ des Interferenzbildes werden an den Teilerschichten S₁ bzw. S^ teilweise umgelenkt und interferieren nunmehr am Ort P₂ zum zweiten Male, Ein Anteil des Lichtes des so entstehenden Interferenzbildes tritt durch die Teilerschicht S₂ hindurch auf den Potoempfänger D₂ während der restliche Anteil nach Umlenkung an der Teilerschicht S₂ auf einen Potoempfänger D-, gelangt. Auf die Potoempfänger D₁ bzw. D. gelangen die Lichtanteile I₁ und i. vom Interferenzbild bei P₁, die

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durch die Teilerschichten S₁ bzw. S₃ unabgelenkt hindurchtreten.

Es läßt sich rechnerisch zeigen, daß bei geeigneter Wahl des Lichtweges der Teilstrahlenbündel I₁₁ und I₁₂ von P₁ nach P₂ die Signalpaare der Lichtbündel i^; i₂ und i^; i^ eine gegenseitige Phasenwinkeldifferenz von SO⁰ aufweisen.

Setzt man zur Vereinfachung der Rechnung voraus, daß die Teilerschichten S₁; Sp und S^ halbdurchlässige Spiegelschichten sind und daß keine Absorptions- und Reflexionsverluste auftreten, so ergibt sich für die Intensität I₁ des Interferenz· bildes in der Ebene A₁-A₁.

*
elektrische Feldvektor ist und sich aus

I₁ * E₁ · E*, wobei E₁ der (1 )

E _ ficT _c.1(flt +/) , fir _c.1(St ^{1 2}Yir 2 j^ ^e

ermitteln läßt.

E* ist die zu E₁ konjugiert komplexe Größe. Dabei ist Iq die Intensität der auf den Strahlenteiler einfallenden ebenen Welle, y die Phasendifferenz zwischen den miteinander interferierenden Wellenzügen, die den Meß- und den Vergleichsstrahlengang durchlaufen haben und d> die Kreisfrequenz der Lichtwellen.

Durch Umformen erhält man aus (1) und (2)

0COS)T) (3)

In analoger Weise bestimmt sich die Intensität I₂ des Lichtes in der Ebene A₁-A₁ zu

I₂ = E₂ . E₂, wobei sich der elektrische (4)

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- 6 Feldvektor E₂ aus

, aov- - . 211 +γ)

■t +7T ) . ,_"Fo,_ _P3(^w* +Ti +f ) ergibt. (5)

J(u>

E₂* ist die zu E₂ konjugiert komplexe Größe. Dabei ist die Phasendifferenz zwischen den beiden, miteinander interferierenden Lichtbündeln JL₁ und i₁₂· Durch Umformen erhält man

I₂ = J£ (1 - sin/· sinT) (6)

Auf die Fotodetektoren D., D₂ gelangen somit Lichtanteile, die cosinus- bzw. sinusförmig mit / schwanken. Die dabei erzeugten Fotoströme besitzen die geforderte gegenseitige Phasendifferenz von 90°. Das von I₂ hervorgerufene fotoelektrische Signal wird allerdings in seiner nutzbaren Höhe von beeinflußt. Wählt man aber durch geeignete Lichtwege *t = (2k + 1) ^ mit k = 0,1,2,3..., so läßt sich von I₂ ein ebenso hohes Signal gewinnen wie von I₁. Für diesen Fall vereinfacht sich die Beziehung (6) zu

I₂ = -£ (1 t einf) (7)

Auf analoge Weise erhält man über die Fotodetektoren D^; D. ein weiteres Signalpaar mit der geforderten gegenseitigen Phasenverschiebung von 90°.

Bei der praktischen Realisierung ist darauf zu achten, daß alle interferierenden Teilbündel annähernd parallel laufen. Verkippungswinkel zwischen den Bündeln würden zu Interferenzstreifen führen, die eine Herabsetzung des Modulationsgrades zur Folge

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hätten.

Während sich Verkippungsfehler, deren Ursache außerhalb des Strahlenteilungswürfels zu suchen wäre, durch Korrekturglieder, z.B. einen Schiebelinsen-Kompensator, eliminieren lassen, sind die innerhalb des Strahlenteilungswürfels entstehenden Fehler kaum "beeinflußbar, sobald dieser_# aus verkitteten Teilstücken bestehend, eine starre Einheit darstellt. Solche Fehler treten beispielsweise dann auf, wenn die drei Teilerschichten S.; Sg und S- nicht parallel zueinander verlaufen. So können z. B. beim Verkitten der die Teilerschichten tragenden Glaskörper Keilwinkel zwischen diesen Schichten auftreten. Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform eines Strahlenteilerwürfels, der solche Fehler weitgehend vermeidet.

Ein Strahlenteilungswürfel 3, besteht aus den durch eine Kittschicht 12 verbundenen prismatischenGlaskörpern 10; 11, die die Teilerschichten S₁ und S₃ tragen. Jeder der beiden Glaskörper·ist an seiner Basisfläche zur Hälfte verspiegelt, wobei jeweils der verspiegelten Hälfte der einen Basisfläche die unverspiegelte Basisfläche des anderen Glaskörpers gegenüber liegt. Sind diese beiden Flächen ihrerseits parallel zu den ihnen gegenüberliegenden Flächen, die die Teilerschichten S₁ bzw. S, tragen, so verbleiben, wie aus der Abbildung hervorgeht, die nach der zweiten Interferenz aus dem Strahlungsteilerwürfel austretenden Bündel trotz des Keilwinkels pC/ zwischen den beiden Basisflächen parallel, wenn als optischer Kitt 12 ein Material verwendet wird, das die

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gleiche Brechzahl wie der Glaskörper besitzt.

Selbstverständlich ist der Erfindungsgedanke nicht auf die in den Ausführungsbeispielen beschriebenen Teileranordnungen mit verkitteten Glasprismen beschränkt. Beispielsweise kann der Strahlenteiler auch aus zwei miteinander verkitteten ebenen Glasplatten bestehen. Dabei tragen eine der beiden miteinander verkitteten Flächen und die äußeren, den Glasplatten abgewandten Flächen teildurchlässige Spiegelschichten,

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Claims (4)

1. - 9 Patentansprüche

   1·) Optisches Interferometer zur Erzeugung zweier Interferenzbilder mit einer gegenseitigen PhasenwinkeIdifferenz von 90°, geeignet insbesondere für Längenmessungen, mit einer Lichtquelle, einem Strahlenteiler mit einer zur Lichteinfausrichtung geneigten strahlenteilenden teilverspiegelten Fläche zur Aufspaltung des von der Lichtquelle herrührenden Lichtes in zwei räumlich getrennte Teilbündel, einem im Lichtweg des ersten Lichtbündels angeordneten und entlang dieses Lichtweges verschiebbaren Meßreflektor und einem im Lichtweg des zweiten Teilbündels angeordnetem Yergleichsreflektor, die beide die Teilbündel parallel und seitlich versetzt zu ihrer Einfallsrichtung zum Strahlenteiler zurückwerfen und diese Teilbündel an der strahlenteilenden Fläche zu einem Interferenzbild vei¹-einigen, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler beidseitig, im wesentlichen parallel zu seiner strahlenteilenden teilverspiegelten Fläche angeordnet, jeweils eine weitere strahlenteilende teilverspiegelte Fläche aufweist, die Lichtanteile der beiden Teillichtbündel des Interferenzbildes umlenken und diese nochmals miteinander zur Interferenz bringen.
2. 2. Optisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch ge» kennzeichnet, daß der Strahlenteiler ein Teilungswürfel ist, der aus zwei an den Basisflächen miteinander verkitteten gleichseitigen Rechtwinkelprismen besteht, wobei die Basisfläche eines der beiden Prismen teildurchlässig verspiegelt ist und in jedem der Prismen je eine weitere, parallel zur zugehörigen Basisfläche

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   angeordnete, teildurchlässige verspiegelte Schicht angeordnet ist.
3. 3. Optisches Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlenteiler aus zwei, an den Basisflächen miteinander verkitteten Prismen "besteht, daß jedes der Prismen je eine parallel zur zugehörigen Basisfläche angeordnete, teildurchlässig verspiegelte Fläche besitzt und daß jeweils einer teildurchlässig verspiegelten Hälfte der Basisfläche des einen Prismas eine unverspiegelte Hälfte der Basisfläche des anderen Prismas gegenüberliegt.
4. 4. Optisches Interferometer nach Anspruch 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, daß die strahlenteilenden Flächen halbdurchlässige Spiegelschichten sind.

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