DE2518197A1

DE2518197A1 - Schnelle phasennachfuehrung fuer laser-interferometer

Info

Publication number: DE2518197A1
Application number: DE19752518197
Authority: DE
Inventors: Guenter Dipl Phys Dr Smeets
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1975-04-24
Filing date: 1975-04-24
Publication date: 1976-11-04

Description

Beschreibung der erfindung Titel: Schnelle Phasennachführung für Laser-Interferometer Anwendungsgebeiet: Die Erfindung betrifft ein Regelsystem zur schnellen Phasennachführung, das in vielen Bereichen der Laser-Interferometrie (z.B. bei Dilatometern, Refraktometern usw. ) Anwendung findet.
Zweck: Mit Laser-Interferometern werden optische Wege bestimmt. Dadurch können einerseits Entfernungen und Bewegungen sehr präzise gemessen werden. Zum anderen können Brechzahivariationen in Phasenobjekten registriert werden. Durch die schnelle Phasennachführung soll die Möglichkeit geschaffen werden, optische Wege und Wegänderungen in einem weiten Bereich der Amplituden ( von Angström bis zu vielen # nm) ) und mit Änderungsfrequenzen bis zu M llz kontinuierlich zu registrieren.
Dabei sollen alle üblichen Zweistrahlinterferometer wie Mach-Zehner, Michelson oder Differentialinterferometer verwendet werden; könrien.
Stand der Tochnik: Das Signal eines Laser-Interferometers U hangt durch

die F-ziehung:

2 Ct-s

mit dem zu messenden optischen Weg # zusammen. bei Anderung von # um eine Lichwellenlänge # beschreibt die Signalspannung U einmal eine Oszillation mit der Amplitude Uo. Durch Verwendung einer geeigneten Impulstechnik kann die Anzahl der Oszillationen gezählt und somit die optische Wegänderung als ein Vielfaches der Lichtwelleneinheit bestimmt werden. (siehe z.B.
J.Berger, H.Lovberg: A Laser Earth Strain Meter. Rev. Sei.
Instr. 40,12 (1969) S. 1569-75) Damit ist aber die Auflösung optischer Wege und Wegänderung durch die Lichtwellenläge begrenzt.
Sehr kleine optische Wegänderungen ## können registriert werden, weml das Laser-Interferometer auf eine Flanke der obigen Interferenzfunktion eingestellt wird. Dann

vC ze,

gilt>tin-

fache lineare

Beziehung:

g CX

Die optische Wegänderung darf in diesem Fall höchstens 1/10 Wellenlänge betragen. Damit die Einstellung auf eine Flanke möglich ist, muß das Laser-Interferometer eine sehr grope mechanische und thermische Stabilität besitzen. Dies läßt sich praktisch nur mit Differentialintcrferometern erreichen ( siehe z. B. G. Smeets: A High Sensitive Laser Interferometer for Transient Phase Objects. I E E E Transactions-A E S 8,2 (1972) S.186 - 190 ).
Kritik des Standes der Technik: Mit der Wellentähltechnik können nur große optische Wegänderungen mit genügender relativer Genauigkeit bestimmt werden. Bei Änderung um nur wenige Wellenlängen ist diese Technik nicht mehr anwendbar. Sehr kleine optische Wegänderungen von 1/10 # und darunter können nur mit Differentialinterferometern registriert werden. Für viele Anwendungen sind aber Differentialinterferometer nicht zweckmäßig.
Es fehlen bisher geeignete Methoden, um schnelle optische Wegänderungen im hinteren Amplitudenbereich bis zu einigen Lichtwellenlängen kontinuierlich zu registrieren.
Aufgabe: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, solche optische Wegänderungen in einem Amplitudenbereich von Angström (10-4µm) bis zu einigen Lichtwellenlängen (µm) von bis zu möglichst hohen Änderungsfrequeiizen zu registrieren.
Lösun: Zur Lösung dieser Aufgabe kann ein schnelles Regelsystem dienen, welches in Fig 1 schematisch dargestellt ist und dessen Funktionsweise im folgenden beschrieben wird.
Im Strahlengang des Laser-Interferometers befindet sich ein Kompensator, der den Teilstrahlen des Interferometers eine zusätzliche Phasenverschiebung erteilen kann. Die Teilstrahlen werden nach ihrer Zusammenfährung durch ein geeignetes System so gemischt, dap auf zwei Photodioden gleichzeitig komplementäre Interferenzsignale entstehen ( das eine ist das negativ des anderen ). Jede Photodiode läßt einen Stroms durch, der dem momentan auftreffenden Lichtstrolll proportional ist.
Auf einer Flankenmitte erhalten beide Photodioden den gleichen Lichtstrom, es fließt dann durch beide der gleiche elektrische Strom, so daß die Ladung und Spannung des Kondensators C konstant bleibt. Wenn im Interferometer nun durch den zu messenden Vorgang eine optische Wegänderung eintritt, wird dieser Gleichgewichtszustand zunächst gestört. Der Lichtpegcl der einen Fotodiode ni;imt zu während er an der anderen abnimmt. Dies führt zu einer Spannungsänderung des Kondensators C, der am hochchmigen Eingang eines Verstärkers liegt.
Der Ausgang des Verstärkers ist mit dem Kompensator verbunden, und in diesen wird eine dem Ausgangssignal proportionale optische Wegänderung erzeugt, die die Wegänderung des Interferometers kompensiert und das Gleichgewicht wiederherstellt. Der Kompensator folgt somit unmittelbar jeder optischen Wegänderung des Vorgangs, und diese kann durch die Kompensatorspannung gemessen werden. Es können sowohl kleine als auch Wegänderungen über viele Wellenlängen registriert werden.
Weitere Ausgestaltung: Es ist zweckmäßig, das Laser-interferometer mit Phasennachführung unter Verwendung von Polarisationsoptil; aufzubauen ( siehe AusfL:rungsbeispiele Fig. 2 bis 4) Dann sind die beiden Teilstrahlen durch ihre zueinander senkrechte Polarisationsrichtung gekennzeichnet, die sie auf ihrem Weg durch Interferometer und Kompensator beibehalten.
Dadurch wird es möglich, Interferometer und Kompensator beliebig zu kombinieren und hintereinander anzuordnen, ohne dap die Teilstrahjen ihre Identität verlieren.
In einen Wollastonprisma, das mit seinen Achsenrichtungen unter 45 Grad zur Polarisationsrichtung der Teilstrahlen angeordnet ist, werden diese dann so gemischt, dap zwei komplementäre Interferenzen entstehen.
Erzielbare Vorteile: Durch die schnelle Phasennachführung werden die Möglichkeiten der Laseriii terferometrie stark erweitert. es wird erstmals möglich, optische Wegänderungen in einen Amplitudenbereich von Angström bis zu vielen µmauch bei sehr hohen j'nderungsfrequenzen, die im Extremfall bis zu M Hz reichen können, kontinuierlich zu registrieren.
Die Erfindung kann bei praktisch allen Anwendungen der Laserinterferometrie nutzbringend eingesetzt werden, unter anderem bei: a. Dilatometern zur Bestimmung von Elastizitätseigenschaften und Temperaturkoeffizienten b. SeismographeIi, Erdspannungsmessern c. Registrierung von Oberflächenschwingungen einschlieplich Drehschwingungen (Tonaufzeichnungen) d. messung von Oberflächenwelligkeiten e. gasdynamischen tntersuchungen f. messung atmosphärischer Turbuleiiz g. akustischen Messungen (Eichmikrofon) h. Refraktometrie l. Prüfung optischer Komponenten k. Aufnahme von Rasterphasenbildern.
Ausführungsbeispiele: In Fig. 2, 3 und 4 sind Ausführungsbeispiele dargestellt. Fig. 2 zeigt den Aufbau eines Machzehnder interferometers mit einer Pockelszelle als Kompensator.
Als spezielle Elemente der Polarisationsoptik werden hier eine #/4- - Platte und Foster - Prismen verwandt. Dieser Aufbau ist für die Untersuchung von schnellveränderlichen Phasenobjekten besonders geeignet.
Fig. 3 zeigt als weiteres Beispiel ein Michelson - Interferometer mit einem piezoelektrischen Translator als Sompensator. bei diesem Aufbau werden mehrere #/4 - Platten und ein Glan - Polarisationsprisma verwendet. Mit dieser Anordnung können. B. Oberflächen untersucht werden.
in Fig. 4 ist ein Differentialinterferometer mit Wollastonprismen darestellt. Als Kompensator wird hier ein zweites Differentialinterferometer verwendet, das über einen schnellen Ablenkspiegel abgeknickt ist. Drehbewegungen des Ablenkspiegels bewirken eine Phasenverschiebung. Differentialinterferometer können optische Weggradienten in Phasanobjekten oder - falls sie in Reflexion aufgebaut sind - Oberflächenneigungen bezw.
Drehungen messen.
Es kann im Prinzip jeder Kompensator mit jedem Interferometertyp beliebig kombiniert werden.

Claims

Patentansprüche

Hauptanspruch Regelsystem zur schnellen Phasennachführung für Laser - Unter ferometer, gekennzeichnet durch: a. Registrierung mit 2 Photodetektoren b. Umladung eines Kondensators durch den Differenzstrom der beiden Detektoren c. Rückkopplung der Kondensatorspannung mit dem Laser - Unter ferometer über einen Kompensator.

Unteranspruch Laser - Interferometer mit dem Regelsystem nach dem Hauptanspruch, gekennzeichnet durch Aufbau der optischen Anordnungen und Erzeugung zweier komplementären Interferenzsignale mithilfe von Polarisationsoptik.

L e e r s e i t e