DE2550561A1

DE2550561A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung der anzahl der wellen einer optischen strahlung

Info

Publication number: DE2550561A1
Application number: DE19752550561
Authority: DE
Inventors: Patrick Pierre Paul Juncar; Jacques Andre Pinard
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1974-11-14
Filing date: 1975-11-11
Publication date: 1976-05-26
Also published as: FR2309846B1; US4084907A; FR2309846A1

Description

PATENTANWÄLTE

DIpl.-lng. P. WlRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZiK DlpWng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

28Π34 β FRANKFURT AM MAIN

287014 GR. ESCHENHEIMER STRASSE

10. Nov. 1975
Gu/Ar

Agence Nationale de Valorisation

de la Re eher eh. e (A IT V A R)

13 j riie Madeleine Michelle

92522 Neuilly sur Seine - Frankreich

Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Anzahl der Wellen einer optischen Strahlung

Die Erfindung "betrifft die sehr präzise Bestimmung, und zwar in

—8 der relativen Grössenordnung von 10 , der Anzahl der Wellen optischer Strahlungen.

Es sind schon Vorrichtungen zur Messung der Wellenlängen einer optischen Strahlung "bekannt.

Spektrometer mit Beugungsgitter gestatten nach einer Justierung eine absolute Messung der Wellenlänge mit einer Präzision von 10 , d.h. etwa 1/10 Angström.

Interferometer vom Typ Perot-Fabry erlauben eine noch genauere Messung, jedoch nur "bezüglich zweier benachbarter Frequenzen und nicht bezüglich absoluter Frequenzen.

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Mit einem Interferometer vom Michelson-Typ steht eine handelsübliche Vorrichtung zur Verfügung, mit der man die Interferenzstreifen zählt, wenn der Wegunterschied durch Versetzung eines seiner Spiegel variiert wird, und zwar einerseits mit einer Wellenlänge Λ, die zu messen ist, und andererseits und gleichzeitig mit einer Wellenlänge A₁, als Bezugswellenlänge. Man zählt getrennt die Anzahl der Interferenzstreifen k und k_r, die den

Wellenlängen λ. "bzw. λ _r entsprechen. Man erhält: A

Diese Vorrichtung gibt in der Wellenlänge eine Präzisision in der Grössenordnung eines Angström. Diese Präzision kann d*orch Verwendung eines Interferometers stark verbessert werden, mit dem der 6-angunterschied in grossem Maßstab abgeändert werden kann. Ein derartiges Verfahren gestattet jedoch nicht in kurzer Zeit eine Frequenzmessung, weil das Versetzen des Spiegels schwierig ist. Hierzu benötigt man viel Zeit, und es muss mit grosser Sorgfalt gearbeitet werden.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile-. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, die Anzahl der Wellen mit einer Genauigkeit von wenigstens der Grössenordnung von 10" zu messen, wobei diese Messung augenblicklich erfolgen kann. Die Anwendung der Erfindung ist also insbesondere bei pulsierten Lasern interessant.

Die Erfindung geht somit aus von einem Verfahren zur Messung der Anzahl der Wellen einer optischen Strahlungo Sie ist dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilstrahlen eines Lichtstrahls.der zu untersuchenden Strahlenquelle in zwei Dopper^ort^lrferometer gegeben werden werden, dass den Wegunterschieden O der Interferometer eine Differenz von -j entsprechend einer Phasenverschiebung von -k mitgeteilt wird, dass die beiden optischen Ausgangssignale der Interferometer in elektrische quadratisch sinusförmige Signale umgewandelt werden, die von der Anzahl der Wellen er= -τ? und der Periode ^ abhängen, dass beide Signale derart behandelt werden, dass der Wert Modulo -τ- der Anzahl der Wellen der Strahlung erhalten wird, und dass dieser Verfahrens-

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schritt für verschiedene Werte von ο wiederholt wird, um schrittweise die Unbestimmtheit bezüglich der Anzahl der Wellen zu eliminieren.

Um diese beiden Teilstrahlen zu erhalten, kann eine räumliche Verlegung eines Strahlenbündels vorgenommen werden. Bei einer anderen bevorzugten Ausführungsform werden zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten ein und desselben Strahls verwendet.

Des weiteren wird es bevorzugt, wenn die beiden elektrischen Signale durch ein elektrisches Signal geteilt werden, welches der Intensität der Strahlenquelle proportional ist, wobei die kontinuierliche Komponente 1 abgezogen wird, um zwei in der Phase quadratische Signale im Sinus und Cosinus zu erhalten. Diese beiden Signale werden je nach den durchzuführenden Analysen oder Anwendungen des Verfahrens den Eingängen X und Y eines Oszilloskopenschirmes zugeleitet, oder derart behandelt, dass die Frequenz beispielsweise eines Laser gesteuert bzw. geregelt wird.

Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben Es zeigt:

Fig. 1 . ein Schema einer ersten Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung;

Fig. 2 ein Schema einer elektrischen Schaltung, mit der die Signale bei der Steuerung oder Regelung der Frequenz eines Lasers behandelt werden, die am Ausgang des Interferometers anstehen;

Fig. 3 ein elektrisches Schaltschema für die Behandlung von am Ausgang des Interferometers nach Fig. 1 anstehenden Signale bei der Messung der Frequenz eines Lasers;

Fig. 4a bis 4e die verschiedenen Wellenformen an verschiedenen Punkten der Schaltung nach Fig. 2;

6Q.38.2 2/06~7 7 ""

Fig. 5a "bis 5d die Veränderung der Phasendifferenzimpulse

der Schaltungen nach Fig 2 und 3; Fig. 6a bis 6d die Anzeige ein und derselben Anzahl von Wellen

für verschiedene Gang- bzw. Wegunterschiede; Fig. 7 eine andere Ausführungsform einer Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Prinzip des Verfahrens nach der Erfindung. In dieser Figur ist ein Laser 1 mit variabler Wellenlänge A gezeigt.

Ein Teil des den Laser 1 verlassenden Lichtstrahls wird von einem ersten halbdurchlässigen Blättchen 2 abgelenkt und anschliessend von einem zv/eiten halbdurchlässigen Blättchen 3 in Richtung auf ein Doppelinterferometer 4.

Das Interferometer 4 ist ein Michelson-Interferometer. Es hat ein festes Blättchen 5 mit zwei parallelen Flächen zur Strahlenverdoppelung. Dessen Aufgabe ist es, den Eingangsstrahl F mit der Intensität I in zwei parallele Lichtstrahlen zu zerlegen und diese auf ein doppeltes, der Trennung und Kompensation dienendes festes Blättchen 6 zu lenken.

Einer der Arme des Interferometers 4 umfasst ein Blättchen 7 mit parallelen Flächen, welches eine der Phasenverschiebung dienende Schicht 7a trägt, die unter Vakuum auf das Blättchen aufgedampft, worden ist und die sich im Strahlengang eines der beiden Lichtstrahlen befindet, die vom Doppelblättchen 6 ausgehen. Die Schicht 7a dient dazu, um eine DifferenzΛ 6 = /4 zwischen den Gangunterschieden ο des Doppelinterferometers zu schaffen. Das Blättchen 7 ist schwenkbar montiert. Seine Neigung wird derart eingestellt, dass der gewünschte Wert Δ ti erreicht wird. Das Blättchen 7 bleibt bei der Messung gehäusefest. Mit dem Blättchen 7 ist ein gehäusefester Spiegel 8 verbunden.

Der andere Zweig des Interferometers 4 hat ein gehäusefestes Blättchen 9 mit parallelen Flächen, welches mit dem Blättchen 7

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_ 5 —

identisch ist. Es ist wie dieses geneigt und dient dazu, das Blättchen 7 zu kompensieren. Mit dem Blättchen 9 ist ein gehäusefester Spiegel 10 verbunden, der sich in einer Entfernung vom Bild 11 des Spiegels 8 = d/2 befindet. Dabei wird das Bild quer durch das Trennblättchen 6 gemessen.

Am Ausgang des Interferometers 4 erhält man zwei parallele Strahlen f^, fp» die um -^i- zueinander phasenverschoben sind. Beide Strahlen werden zwei Fotomultipliern 12 und 13 zugeführt, die mit einer Schaltung 14 zum Teilen und Abziehen verbunden sind.

Die Schaltung 14 ist mit einem dritten Fotomultiplier 15 verbunden, der denjenigen Teil des untersuchten Lichtstrahls erhält, der das halbdurchlässige Blättchen 3 durchquert.

Der Ausgang der Schaltung 14 ist mit den Eingängen X und Y eines Oszilloskops 16 verbunden.

Diese Vorrichtung arbeitet wie folgt; Bei einer Neigung des Blättchens 7 entsprechend einer Differenz AO = Ä/4 zwischen den beiden Strahlen t* und f_o erhält man am Ausgang des Interferometers 4 Lichtintensitäten = 1 (1 + cos 2"iT<s~o ) und I (1 + sin 2ΊΤ&-0 ). Dabei ist I die Intensität des Lichtstrahls F und Q- (= Anzahl der Wellen) = 4 . /\ ist die Wellenlänge des Lasers 1.

Diese Intensitäten werden von den Fotomultipliern 12 und 13 in sinusförmige elektrische Signale umgewandelt.

In der Schaltung 14 werden die elektrischen Signale, die I (1+ cos 2ii<s~6) und I_Q (1 + sin ΖΪΓα-ο) entsprechen, durch das elektrische Signal geteilt, welches am Ausgang des Fotomultipliers 15 ansteht und welches einer Lichtintensität proportional I₀ entspricht, um die Messung unabhängig von Schwankungen in der Intensität des Lasers zu machen.

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In der Schaltung 14 wird dann nur noch der kontinuierliche Anteil 1 abgezogen, um als Resultat am Ausgang der Schaltung 14 zwei in der Phase quadratische Signale zu erhalten (sin cos 2'iT

Diese beiden Signale werden über die Eingänge X und Y einem Oszilloskopenschirm 16 zugeführt, dessen Lichtfleck 17 einen vollständigen Kreis 18 beschreibt, wenn die Anzahl der Wellen ©■" der Laserstrahlung mit -f variiert. Die Lage des Lichtflecks 17 auf dem Kreis 18 ist also ein Maß für cf Modulo -τ .

\r

Um die Unbestimmte j im Maß der Anzahl der Wellen zu verringern, verwendet man in einer Kombinierung mehrere Doppelinterferometer desselben Typs, die jedoch verschiedene Gangunterschiede J.,, ö„ o₇ ...... d „ in geometrischer Progression haben (beispielsweise d^ = 10, O₀ = 100, c>, = ....*). Dadurch kann ty'Modulo f— erhalten werden, wobei das freie spektrale Intervall dem Interferometer mit dem geringsten Gangunterschied entspricht.

Werden vier Interferometer (Fig. 6a bis 6d) mit Gangunterschieden ö^ = 50 cm, Oo = 5 cm, S-, = 5 mm und a . = ο,5 mm verwendet, so entspricht auf jedem der Anzeigeschirme eine Umdrehung 20mk, 200 mk, 2 cm"¹ und 20 cm "¹ (mk « 1Q~³ cm""¹ = 30 MHz).

Auf diese Weise kann schrittweise die Ungenauigkeit im ¥ert von ö·" verringert werden.

In diesem Beispiel muss die Frequenz des Lasers auf 20 cm genau bekannt sein, und zwar mittels eines Spektrometers mit geringer Auflösung. Die grösste Präzision wird vom ersten Interferometer gegeben (^₁ = 50 cm). Ein Hundertstel der Umdrehung = 0,2 mk (.6 MHz), woraus eine absolute Ungenauigkeit der relativen Mes-

sung der Anzahl der Wellen er in der Grössenordnung von 10 folgt. Die Genauigkeit hängt natürlich von der Genauigkeit ab, mit der man ö * wirklich kennt.

Anstatt gleichzeitig mehrere einander gleiche Vorrichtungen nach

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Fig. 1 zu verwenden, kann auch eine einzige Vorrichtung verwendet werden, wobei die verschiedenen Messungen, die dadurch erhalten werden, dass einer der Spiegel 8, 10 versetzt v/ird, nacheinander erfolgen und gespeichert werden.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf Fig. 2 die Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung auf die Steuerung oder Regelung der Frequenz eines Lasers erläutert.

Die elektrischen Signale I (1 + cos 2^/i\^o ) und I (1 + sin. 2fr"£"o ) werden zwei Verstärkern 2OS und 2OC mit variabler Verstärkung zugeleitet, die vorher geeicht worden sind. Die Ausgänge dieser Verstärker sind mit Analogteilern 21S und 21C verbunden, die ebenfalls ein Signal von einem dritten Verstärker 20 I mit variabler Verstärkung erhalten, der mit dem dritten Fotomultiplier 15 verbunden ist.

Die Ausgänge der Teiler 21S und 21C sind mit zwei Operationsverstärkern 22S und 22C verbunden, die ihrerseits mit Verfielfachern 26S und 26C verbunden sind. Diese Vervielfacher erhalten ebenfalls Signale aus einem Digitalteiler 24 mit Hunderterstufen nach Filtrierung in einem Doppelfilter 25. Der Teiler 24 wird von einer Impulsquelle 23 mit Impulsen beschickt, der aus einem Oszillator der Frequenz 10 MHz besteht.

Die Vervielfacher 26S und 26C sind mit einer Schaltung 27 zur Addition und Formbildung verbunden, der einen Operationsverstärker 27a und einen bistabilen Flip-Flop 27b enthält.

Der Ausgang der Schaltung 27 ist mit einer Phasen-Nachweisschaltung 29 verbunden, der ein anderes Signal von einem Teiler 28 um Hunderter erhält.

Die Teiler 24 und 28 sind mit einer Phasendifferenzsteuerung 30 verbunden. Ausserdem ist eine Anzeigeschaltung mit einem ;Schrittzähler 31 und einer Anzeige 32 vorgesehen.

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Die Schaltung arbeitet wie folgt:

Die elektrischen Signale entsprechend I_Q (1 + sin 2TT6"ö ), ι (1 + cos 2'TTs-'ί ) und I₀ werden den jeweiligen Verstärkern 2OS, 20 C und 20 I ' zugeführt.

Die Teilung durch I_Q wird von den Analogteilern 21S und 21C durchgeführt. Die Zentrierung der sinusförmigen Schwingungen auf der Achse (zwischen -1 und +1) wird in den Operationsverstärkern 22S und 22C durchgeführt. Das Signal am Ausgang der Operationsverstärker 22S und 22C v/ird in die Vervielfacher 26S und 26C eingegeben, wo die Signale jeweils mit den beiden Signalen sin (o3t + *P_O) ^{und cos} (CO t + ψ ) multipliziert, deren Erzeugung weiter unten erläutert wird. Die Impulse des Oszillators 23 mit einer Frequenz von 10 MHz werden in den Teiler 24 gegeben, der an seinem Ausgang zwei rechteckige Signale in Quadratur hat, die nach-Filtrierung im Doppelfilter 25 Signale sin (dut + *f ) und cos ( 60 t + Ψ_o) ergeben. Diese Signale werden anschliessend den Multiplikatoren 26S bzw. 26C zugeführt. Weiter unten wird erläutert, wie die Phase <jp _Q variiert wird.

Die Signale sin (cot + Q⁵ ) und cos (OJ t + ^P) werden dann addiert und in der Schaltung 27 umgeformt, d.h. im Operationsverstärker 27a addiert, so dass an dessen Ausgang ein Signal cos [CJt + (<^- ^P₀)J entsteht, welches in ein rechteckiges Signal (Fig. 4a) derselben Frequenz rect/Zot + (^ - ^₀)J mittels des Flip-Flop 27b umgewandelt wird. Das rechteckige Signale v/ird der Phasendetektorschaltung 29 zugeführt.

Um den Phasennachweis durchzuführen, muss ein Referenzsignal (Fig. 4b) rect/cbt J in die Schaltung 29 eingeführt werden. Hierzu werden die Impulse des Oszillators 23 auch dem .Teiler 28 zugeführt, der an seinem Ausgang direkt ein Signal rect COt abgibt. In der Phasennachweisschaltung 29 werden die beiden Signale rect/co t + (<jP - <f ₀)J und rect 60t miteinander multipliziert (Fig. 4a) und anschliessend filtriert (Fig. 4d). Man erhält dann (Fig. 4e) ein Ausgangssignal (Fehlersignal £, in Fig. 2) proportional zu ( ^ - <f_Qf ür o<^ -CP<7T und direkt propor-

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tional zu ( ?- %) für Rf- f₀ < 2 JT.

Das Ausgangssignal des Phasendetektors 29 heisst Fehlersignal 6> _f weil es tatsächlich als Steuerungssignal für die Frequenz des Lasers 1 verwendet werden kann. Um .dies zu erläutern, wird jetzt beschrieben, wie die Phase (j>_Q variiert werden kann.

Die Phasendifferenzsteuerung 30 gibt in ihrer Zahl zusätzliche und in ihrer Geschwindigkeit variable Impulse ab, und zwar von Hand oder automatisch. Diese Impulse gelangen an den Eingang des Teilers 24 oder des Teilers 28. Beispielsweise sei angenommen dass in den Impulszug, der in den Teiler 24 eintritt, ein zusätzlicher Impuls eingefügt wird. Weil die Umdrehung des rechteckigen Ausgangssignals bei Beendigung einer bestimmten Anzahl von Impulsen ausgelöst wird, beispielsweise von 50 Impulsen, rückt das rechteckige Signal um ein Hundertstel in seiner Periode vor. Dies ist in den Fig. 5a bis 5d gezeigt, die sich auf den Fall einer Teilung um 8 beziehen, wenn ein zusätzlicher Impuls in der Zeit t zugeführt wird. In Fig. 5d ist mit r die Rückverschiebung der Phase von einem Achtel der Periode in der Zeit t gezeigt.

Bei jedem zusätzlichen Impuls am Eingang des Teilers 24 rückt die Phased um vor. Wenn auf dieselbe Art und Weise Impulse an den Eingang des Teilers 28 gegeben werden, variiert die Phase des Referenzsignales im umgekehrten Sinn um

Benutzt man das Fehlersignal £,,um einen Laser zu steuern oder zu regeln, so wird <γ = ^₀ gesetzt. Bei 100 Eingangsimpulsen (in der Schaltung 30) variiert die Anzahl der Wellen der Laserstrahlung um -τ- .

Der Schrittzähler 31 und die Anzeige 32 gestatten es, die Wirkung der Phasendifferenzsteuerung 30 anzuzeigen und zu speichern. Die Phasendifferenzsteuerung 30 umfasst des weiteren eine Kipp- oder Abtastschaltung mit automatischem Programm und eine O-Rückstellung (RAZ).

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- ίο -

Soll die Frequenz eines Lasers nur gesteuert werden, so kann man ein einziges Doppelinterferometer und eine einzige Schaltung wie die nach Fig. 2 verwenden.

Fig. 3 zeigt ein der Fig. 2 analoges Schaltschema, mit dem beispielsweise die Frequenz des Lasers 1 gemessen werden soll. Die Phasendifferenzsteuerung 30 ist durch einen Messblock 30' ersetzt, -der einen Wandler Spannung-Frequenz enthält, der das Ausgangs signal der Phasendetektorschaltung 29 in eine Frequenz umwandelt, die ihr proportional ist. In diesem Fall ist es erwünscht, das Signal (ψ- ψ ) derart zu behandeln _s dass es ^ - ^P proportional ist, wobei t$ - ^f zwischen O und 2TT variiert.

Das vom Wandler abgegebene Signal wird entweder dem Teiler 24 (YorwärtsverscMebung) oder dem Teiler 28 {Rückwärtsverschiebung) zugeführt» Dadurch wird eine echte innere Regelung erreicht und die Phase Ψ folgt konstant der Phase Q.

Durch Zählung der Anzahl der Impulse, die so nach Rückstellung in der Phase der Signale rect (<^t + ^f „} *&nä. rect { OOt)ausge-

2 TT lost sindf erhält man den gesamten vielfaciien Teil von der Phase Φ , Die Steuerung gestattet es, kontinuierlich den Wert dieser Phase proportional zur Frequenz des Lasers 1 zu steuern.

Durch entsprechende Behandlung aller Signale, die aus den verschiedenen InterferometeraiierrüTsren, erhält aan die Werte der verschiedenen Phasen, die von einem Kleinrechner analysiert den Wert der Anzahl der Wellen S^- der Laserstrahlen liefern·

Bei derSchaltung nach Fig. 2 müssen mehrere elektronische Schaltungen vorgesehen, sein» die der dargestellten Schaltung gleich sind, oder es ist eine einzige Schaltung vorgesehen» mit der die von den Interferometers gegebenen Daten gespeichert werden«

Fig. 7 zeigt eine Abänderung des optischen Teiles der Vorrichtung nach der Erfindung, In Fig. 7 sind die Bauteile, die den Bauteilen

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- 11 naph Fig. 1 entsprechen, mit demselben Bezugszeichen versehen.

Bei dieser Variante arbeitet man mit zwei senkrecht zueinander polarisierten Komponenten des Lichtstrahls F, und nicht mit zwei im Inneren des Interferometers getrennten und parallelen Lichtstrahlen, wie in Fig. 1. In Fig. 7 geschieht dies derart, dass der Ausgangslichtstrahl zwei superponierte, um 90° polarisierte und um ■£- phasenverschobene Anteile enthalten soll. Hierzu wird der Lichtstrahl F auf einem Spiegel' 40 in Richtung des Doppelblättchens 6 reflektiert. Einer der Arme des Interferometers 4¹ enthält ein total reflektierendes Prisma 41 und den Spiegel 8. Der andere Arm enthält den Spiegel 10 und das der Kompensation dienende Blättchen 42. Am Ausgang des Interferometers 4¹ werden durch ein Trennblättchen 43 und gekreuzte Analysatoren 44 und 45 die beiden um 90° polarisierten Anteile ausgewählt, die das Interferometer verlassen haben, und zwischen denen die gewünschte

Tt
Phasenverschiebung von tj— besteht.

Diese Variante gestattet es, die Probleme zu vermeiden, die durch die Verwendung von phasenverschiebenden Blättchen bei deren Verschiebung im Fall der Fig. 1 auftreten.

Die Verwendung des total reflektierenden Prismas 41 und der Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Polarisationen des reflektierten Strahls gestattet es, das System achromatisch in einem sehr grossen Spektralbereich auszubilden. Bei einer bestimmten Ausrichtung des Prismas -41 ist die Phasenverschiebung nur vom Brechungsindex des optischen Mittels abhängig, wobei ein sehrf wenig zerstreuendes Glas ausgewählt wird. Man erhält dann eine Phasenverschiebung zwischen den verschiedenen Polarisationen des reflektierten Lichtstrahls, die praktisch in Abhängigkeit von X konstant ist.

Diese Phasenverschiebung wird durch die folgende Gleichung be stimmt:

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tg^H - T

* Cos i ySirT i - ^-

Bei ^P = -7— ( -4— auf -dem Hin- und Rückweg) und bei einem typischen Brechungsindex von η = 1,52 ist der Einfallswinkel i gleich 55° 19'· Das Prisma 41 erhält also einen Dachwinkel von 69° 21', wodurch es möglich ist, die beiden seitlichen Flächen senkrecht zu befestigen, und dadurch die !Variation von in Funktion des Einfallswinkels i zu einem Minimum zu bringen. Dadurch wird die Einstellung einfacher.

Dieses Verfahren hat des weiteren den Vorteil, dass nur ein einziger Lichtstrahl verwendet wird, der das Interferometer 4· durchdringt. Dadurch wird die willkürliche Phasenverschiebung zwischen den optischen Wegen (Fig. 1) vermieden, die durch eine schlechte Einstellung des Spiegels 8 erhalten werden kann. Diese Phasenverschiebung bewirkt eine Verformung der Kreise 18 auf den verschiedenen Anzeigeschirmen.

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Claims

Agence Nationale de Valorisation de la Recherche (A N V A R )

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GU/Ar

Patentansprüche

Verfahren zur Messung der Anzahl der Wellen einer optischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Teilstrahlen eines Lichtstrahls der zu untersuchenden Strahlenquelle (1) in zwei Doppel-^{Welleninterfer}PPf¹f!geben werden, dass den Wegunterschieden α der Interferometer eine Differenz von ■ß- entsprechend einer Phasenverschiebung von 4- mitgeteilt wird, dass die beiden optischen Ausgangssignale der Interferometer in elektrische quadratisch sinusförmige Signale umgewandelt werden, die von der Anzahl der Wellen δ~= -v~ und der

1
Periode -r- abhängen, dass beide Signale derart behandelt werden, dass der Wert der Modulo -r~ der Anzahl der Wellen der Strahlung erhalten wird, und dass dieser Verfahrensschritt für verschiedene Werte von ο wiederholt wird, um schrittweise die Unbestimmtheit bezüglich der Anzahl der Wellen zu eliminieren.

•s

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtstrahl (F) in zwei parallele Lichtstrahlen (f^, f₂) unterteilt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei senkrecht zueinander polarisierte Komponenten des Lichtstrahls (F) verwendet werden.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden elektrischen Signale durch ein elektrisches Signal geteilt werden, welches proportional der Intensität der Strahlenquelle ist, und dass die kontinuierliche Komponente (1) abgezogen wird, um zwei in der Phase quadratische Signale, nämlich Sinus- und Cosinus-Signale zu erhalten,

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinus-Signal und das Cosinus-Signal den Eingängen X und Y

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eines Oszilloskopschirmes derart zugeleitet werden, dass ein wahrnehmbarer Lichtfleck entsteht, der sich auf einem Kreise bewegt und dessen Lage auf dem Kreis ein Maß für die Wellenmodulo —τ— ist.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, angewendet an eine kontinuierliche Messung der Frequenz eines Lasers, dadurch gekennzeichnet, dass das Sinus-Signal und Cosinus-Signal, genannt erste Signale, mit einem Cosinus-Signal und einem Sinus-Signal, genannt zweite Signale, multipliziert werden, wobei die zweiten Signale dieselbe beliebige Phase haben* dass die sich ergebenden Signale addiert werden, dass das erhaltene Signal umgeformt wird, so dass es rechteckig wird, dass die Phase dieses Signals mittels eines Referenzsignals gemessen wird, um ein Signal zu erhalten, welches genau proportional zur Phasendifferenz zwischen den ersten und den zweiten Signalen ist, und dass man dieses proportionale Signal verwendet, um die Phase der beiden Signale konstant zu steuern oder zu regeln mit derjenigen Phase der ersten Signale, und um den Wert der Phase der ersten Signale zu bestimmten, welcher proportional zur Laserfrequenz ist, und wobei dieser Verfahrensschritt gleichzeitig für verschiedene Werte von O durchgeführt wird, um die Unbestimmtheit in der Frequenz zu verringern.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass gleichzeitig oder nacheinander η Messungen mit η verschiedenen Wegunterschieden in geometrischer Progression durchgeführt werden.

8. Verfahren nach Anspruch 6, angewendet auf die Steuerung oder Regelung der Frequenz eines Lasers, dadurch gekennzeichnet,

• dass der Phasennachweis für ein Referenzsignal durchgeführt wird, um ein Signal proportional zur Differenz der Phase zwischen den ersten und zweiten Signalen zu erhalten, und dass man das sich ergebende Signal verwendet, um die Frequenz des Lasers dadurch zu steuern oder zu regeln, dass die zur Frequenz des Lasers proportionale Phase konstant gleich der Phase der

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zweiten Signale gehalten wird.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine optische Strahlenquelle (1)vorgesehen ist, ein Doppelinterferometer vom Typ Michelson (4) mit einem Blättchen (5) mit parallelen Flächen, welches einen Teil der zu untersuchenden Strahlung erhält und diesen Teil auf ein doppeltes Blättchen (6), welches der Trennung und Kompensierung zweier paralleler Strahlen dient, schickt, wobei einer der Arme des Interferometers ein Blättchen (7) mit parallelen Flächen aufweist, welches eine dünne Schicht (7a) trägt, die der Phasenverschiebung dient, und die sich im Strahlungsweg eines der beiden Lichtstrahlen befindet, sowie einen gehäusefesten Spiegel (8), wobei ferner der andere Arm ein der Kompeßierung dienendes Blättchen mit parallelen Flächen (9) hat und einen gehäusefesten Spiegel (10), der in einer Entfernung vom Bild (11) des Spiegels des ersten Armes gleich -p— vorgesehen ist, wobei das Blättchen, welches die der Phasenverschiebung dienende Sdicht trägt, geneigt werden kann und die Neigung derart geregelt wird, dass zwischen den beiden Strahlen eine Differenz Δ ο gleich -η-— auftritt, dass ferner zwei Detektoren (12. 13) in den beiden Lichtstrahlen am Ausgang des Interferometers angeordnet sind, des weiteren eine der Teilung und Subtraktion dienende Schaltung (14) mit den Ausgängen der Detektoren verbunden ist, sowie mit dem Ausgang eines dritten Detektors (15), der einen Teil der zu untersuchenden Strahlung erhält, und eine Anordnung (16) vom Oszilloskopentyp, die mit der Schaltung (14) verbunden ist.

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 3-5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Strahlenquelle (1) vorgesehen ist, ein Polarisationsinterferometer (4¹)» welches einen gehäusefesten Spiegel (40) hat, der einen Teil der zu untersuchenden Strahlung auf ein der Trennung und Kompensierung dienendes Doppelblättchen (6) schickt, wobei einer der Arme des Interferometers einen Spiegel (8) und ein total

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reflektierendes Prisma hat und der andere Arm ein Blättchen (42) mit parallelen Flächen, welches der Kompensierung dient, und einen gehäusefesten Spiegel (10), der in einer Entfernung vom Bild (11) des Spiegels (8) des ersten Armes gleich vorgesehen ist, wobei des Prisma derart geneigt ist, um ausgangsseitig eine Phasenverschiebung von —p— zwischen den beiden um 90° polarisierten Anteilen zu erhalten, die am Ausgang des Interferometers anstehen, wobei ferner ein der Trennung dienendes Blättchen 43 am Ausgang des Interferometers vorgesehen ist, ferner zwei Analysatoren (44, 45), die jeder in einem der beiden Strahlen angeordnet ist, der das trennende Blättchen verlässt und die derart montiert sind, dass sie die beiden um 90° polarisierten Strahlen auswählen, dass ferner zwei Detektoren (12, 13) hinter den beiden Analysatoren vorgesehen sind, eine der Teilung und dem Abziehen dienende Schaltung (14) mit den Ausgängen der beiden Detektoren und mit dem Ausgang eines dritten Detektors (15) verbunden ist, der einen Teil der zu untersuchenden Strahlung erhält, und dass eine Anzeigeeinrichtung (16) vom Oszilloskop-Typ mit der Schaltung (14) verbunden ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge der/Teilung und Abziehung dienenden Schaltung (14) mit Multiplikatorschaltungen verbunden sind, deren Ausgänge mit einer Schaltung zur Addition und Umformung verbunden sind, dass diese Schaltung mit einer Phasendetektorschaltung verbunden ist, die ihrerseits mit einem Wandler Spannung/Frequenz verbunden ist, die Impulse zwei Teilern zuschickt, die von einer Impulsquelle versorgt sind, wobei einer der Teiler mit der Phasendetektorschaltung verbunden ist und der andere Teiler über ein Doppelfilter (25) mit den Multiplikatorschaltungen verbunden ist, und dass eine Anzeigeeinrichtung vorgesehen ist, um die von der Phasendetektorschaltung gegebenen Informationen sichtbar zu machen.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 11, vorzugsweise zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ausgang der Phasendetektorschaltung mit Mitteln zur Steuerung der Frequenz des untersuchten Lasers verbunden ist, und dass der Wandler Spannung/Frequenz von einer Phasensteuerung ersetzt ist, die zusätzliche Impulse zur Phasenverschiebung den Eingängen der Teiler zuführt.

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