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Interferometer
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Die Erfindung bezieht sich auf Interferometer, deren Wirkung darauf
beruht, daß das von einer Lichtquelle einfallende Licht in zwei oder mehr kohärente
Lichtstrahlen aufgeteilt wird, die anschließend wieder vereinigt werden, nachdem
sie verschiedene optische Strecken durchlaufen haben. Der Begriff Licht umfaßt eine
elektromagnetische Strahlung von Bereichen des Spektrums, die außerhalb des optischen
Bereiches liegen.
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Interferometer können zur Anzeige und Messung von Schwingungen in
Objekten oder Strukturen unter Anwendung von Licht verwendet werden, das von dem
Objekt oder der Struktur reflektiert oder gestreut wird und einen Zweig bildet,
der als Meßzweig des Interferometers bekannt ist.
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Eine Schwierigkeit, die bei der Messung kleiner Ultraschallschwingungen
auftritt, besteht darin, daß, wenn nicht sorgfältige Vorkehrungen getroffen werden,
störende niederfrequente Schwingungen auftreten, die unregelmäßige Weglängen-Ladungen
im Meßzweig des Interferometers erzeugen, die auf -die Messung der hochfrequenten
Schwingungen mit kleiner Amplitude einwirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Interferometer zu schaffen,
mit dem eine fehlerfreie Messung kleiner Ultraschallschwingungen moglich ist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Interferometer gelöst,
das einen Bezugszweig und einen Meßzweig aufweist sowie einen Regelkreis mit Einrichtungen
zur Anzeige von Änderungen in der optischen Weglänge des Meßzweiges und Einrichtungen
zur Erzeugung eines Zwischensignals, das Änderungen in der optischen Weglänge des
Meßzweiges darstellt, der eine vorbestimmte Frequenzcharakteristik besitzt Einrichtungen
zur Ableitung von Steuersignalen von dem Zwischensignal sowie eine elektrooptische
Einrichtung, die auf die Steuersignale anspricht, um die Lichtphase im Bezugszweig
relativ zu der Phase des Lichts im Meßzweig zu andern, um auf diese Weise die genannten
Änderungen in der ;.optischen Streckenlänge des Maßzweiges zu kompensieren.
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Die elektrooptische Einrichtung zur Änderung der Phase des Lichtes
in dem Bezugszweig relativ zu der Lichtphase im Meßzweig kann eine Mehrzahl von
elektrooptischen Einheiten umfassen, die aufeinanderfolgens mit jeweils in einem
Winkel von 45° zueinander verlaufenden Achsen angeordnet sind und durch Wechselspannungen
erregt werden, die jeweils um 90° phasenverschoben sind im Vergleich zu den Spannungen,
die an die jeweils benachbarten elektrooptischen Einheiten angelegt werden.
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Der Begriff elektrooptische Einheit bedeutet eine Einheit, deren
optische Aktivität durch Anlegen von elektrischen Feldern an die Einheit verändert
werden kann-Eine bevorzugte Ausführungsform der elektrooptischen Einrichtung besteht
aus zwei Kerr-Zellen, die in einer gemeinsamen Hülle enthalten sind Wahlweise kennen
Pockel-Zellen verwendet werden.
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Die Frequenz der Wechselspannungen wird durch Meßung der Geschwindigkeit
bestimmt, mit welcher das Interferometer anfänglich zwischen dem stabilen und instabilen
Zustand wechselt, bevor der Steuerkreis wirksam wird.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen zu entnehmen. Es zeigen Fig. 1 eine schematische Darstellung
einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen Interferometers, Fig. 2 eine schematische
Darstellung eines optischen Systems einer zweiten Ausführungsform des neuen Interferometers,
während Fig. 3 eine schematische Darstellung eines optischen Systems einer dritten
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Interferometers veranschaulicht.
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Das Interferometer nach Fig. 1 zur Beobachtung von Schwingungen auf
einer Oberfläche 1,die Teil einer Struktur 2 bildet, besteht aus einer Laser-Lichtquelle
3; die einen linear polarisierten Lichtstrahl 4 liefert. Der Lichtstrahl 4 fällt
auf ein Viertelwellenplättchen 5, welches das linear polarisierte Licht in zirkular
polarisiertes Licht umwandelt. Der nunmehr zirkular polarisierte Lichtstrahl fällt
anschließend auf eine elektrooptische Baueinheit 6, die nachstehend beschrieben
wird. Die elektrooptische Einheit 6 erzeugt zwei überlagerte Lichtstrahlen 4"4''
mit jeweils zirkular in entgegengesetztem Sinne polarisiertem Licht. Einer der durch
die elektrooptische Baueinheit 6 erzeugten Lichtstrahlen, das heißt 4', hat die
gleiche Phase und den gleichen Polarisationssinn wie der Lichtstrahl 4, der auf
die elektrooptische Einheit 6 auftrifft. Der andere Lichtstrahl 4'' wird in entgegensetztem
Sinne zum Lichtstrahl 4, der auf die elektrooptische Einheit 6 auftrifft, polarisiert
und hat auserdem eine leicht unterschiedliche Frequenz. Die Änderung in der
Frequenz
die als eine sich kontinuierlich volziehende Phasenänderung betrachtet werden kann,
wird durch Steuersignale S1, S2 erzielt, die durch einen Steuerkreis C erzeugt und
an die elektrooptische Baueinheit 6 angelegt werden. Die Lichtstrahlen 4', 4'' gehen
durch ein weiteres Viertelwellenplättchen 7 hindurch, das die Strahlen linear in
linear polarisiertes Licht umwandelt, wbbei der Lichtstrahl 4' in der gleichen Ebene
polarisiert wird wie der ursprüngliche Lichtstrahl 4, und der Lichtstrahl 4'>
wird rechtwinklig zum Lichtstrahl 4' polarisiert. Die Lichtstrahlen 4', 4'' werden
anschließend räumlich durch ein Wollaston-Prisma 8 getrennt. Wahlweise kann ein
Rochon-Prisma oder ein anderer polarisierender Strahlenteiler verwendet werden.
Der Lichtstrahl 4' dient zur Bildung des Meßzweiges des Interferometers und wird
auf die Oberfläche 1 gerichtet, deren Schwingung gemessen werden soll. Der Lichtstrahl
4'' dient zur Bildung des Bezugszweiges des Interferometers. Der Lichtstrahl 4'
wird durch die Oberfläche 1 gestreut oder reflektiert entsprechend der Beschaffenheit
derselben und kehrt entlang einer Strecke parallel aber leicht unterhalb seiner
ursprünglichen Lichtstrecke zurück. Wenn die Oberfläche 1 derart beschaffen ist,
daß der Lichtstrahl 4' eher gestreut als reflektiert wird, wird eine Linse 9 verwendet,
um wieder einen parallelen Lichtstrahl zu erzeugen. Der zurückkehrende Lichtstrahl
4' geht durch das Wollaston-Prisma 8 hindurch und fällt auf einen Planspiegel 10.
Inzwischen wird der Lichtstrahl 4'' auf einen Kubus 11 oder ein Prisma gerichtet,
welcher bzw. welches den Lichtstrahl entlang einer parallelen aber verschobenen
Strecke umlenkt, wobei der Lichtstrahl 4'' wiederum durch das Wollaston-Prisma 8
hindurchgeht. Ein drehbarer Polarisator kann entweder in den austretenden oder zurückkehrenden
Strahlengang des Lichtstrahls 4' gebracht werden, um seine Intensität derjenigen
des zurückkehrenden Lichtstrahles anzupassen. Die Anordnung ist derart getroffen,
daß der zurückkehrende Lichtstrahl 4'' außerdem auf den Spiegel 10 fällt, und die
Lichtstrahlen 4', 4'' werden überlagert und bilden einen einzigen Lichtstrahl 12,
der zwei Komponenten aufweist, die rechtwinklig zueinander polarisiert sind. Ferner
sind die optischen Streckenlängen der Lichtstrahlen 4', 4'' derart bemessen, daß
nominell
Bedingungen gegeben sind, bei denen Interferenz zwischen den Lichtstrahlen 4',4''
auftreten könnte, nachdem diese durch das Wollaston-Prisma 8 vereinigt worden sind.
Da die beiden Komponenten des Lichtstrahles 12 rechtwinklig zueinander polarisiert
sind, interferieren sie jedoch nicht, um so Intensitätsänderungen zu erzeugen. Der
Lichtstrahl 12 fällt dann auf einen polarisierenden Strahlenteiler 13. dessen Polarisationsebene
unter einem Winkel von 450 zu den Polarisationsebenen der Komponenten des Lichtstrahles
12 verläuft. Jede Komponente des Lichtstrahles 12 wird in zwei weitere Komponenten
zerlegt, die rechtwinklig zueinander polarisiert sind. Diese weiteren Komponenten
werden in zwei Paare von in einer Ebene liegenden Lichtstrahlen aufgeteilt, und
diese Lichtstrahlen wiederum können sich vereinigen und interferieren und somit
zwei endgültige Lichtstrahlen 12' und 12'' erzeugen.
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Jeder der beiden Lichtstrahlen 12',12'' besteht aus Komponenten,
die sowohl von dem Meßzweig und dem Bezugszweig 4', 4'' des Interferometers hergeleitet
sind, und die in der üblichen Weise interferieren können, um Änderungen in der optischen
Streckenlänge der Zweige des Interferometers anzuzeigen. Die Phasenverhältnisse
sind derart, daß die Komponenten des Strahles 12' in Phase zueinander sind, wenn
die Komponenten des Strahles 12' phasenverschoben sind, und umgekehrt. Wenn der
Lichtstrahl 12' seine maximale Breite erreicht, fallen die Lichtstrahlen 12', 12"
auf zwei Fotovervielfacher 14,15, die jeweils Teil des Steuerkreises C bilden. Die
Fotodetektoren 14,15 sind mit einem Differentialverstärker 16 verbunden, der wiederum
mit einem weiteren Verstärker 17 verbunden ist, der an einen spannungsgeregelten
Oszillator 18 angeschlossen ist, der zwei phasengleiche Ausgangssignale erzeugt
mit einer Frequenz, die direkt auf die Ausgangsspannung des Verstärkers 17 bezogen
ist. Ein Oszillator 19 erzeugt zwei Ausgangssignale, die eine Phasenverschiebung
von o-t/2 aufweisen. Diese Signale werden mit den Signalen von dem spannungsgeregelten
Oszillator 18 in zwei Mischern 20,21 gemischt, und die resultierenden Signale werden
jeweils in Verstärkern 22, 23 verstärkt, die Steuersignale S1J S2 für die elektrooptische
Baueinheit 6 erzeugten.
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Die elektroopotische Baueinheit 6 besteht aus zwei Kerr-Zellen 24,
25 in einer gemeinsamen Hülle 26. Die Elektroden der Kerr- Zelle 24 sind in einem
Winkel von 450 zu den Elektroden der Kerr-Zelle 25 angeordnet. Das Steuersignal
S1 von dem Verstärker 22 wird an die Kerr-Zelle 24 angelegt, und das Steuersignal
S2 von dem Verstärker 23 wird an die Kerr-Zelle 25 angelegt. Die elektrooptische
Baueinheit 6 bewirkt eine effektive Phasenverschiebung in dem Lichtstrahl 4' , der
durch sie hindurchgeht, wobei die Phasenverschiebung in Bezug zu der Amplitude der
Signale steht, die an die elektrooptische Baueinheit 6 angelegt werden.
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Das Interferometer arbeitet in einem symmetrischen bzw.
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Gleichgewichtszustand, bei welchem die Ausgänge der Fotovervielfacher
14,15 die gleiche Amplitude aufweisen. Eine kleine Bewegung der Oberfläche 1 bewirkt
eine Unsymmetrie in den Ausgängen der Fotovervielfacher und erzeugt dadurch ein
Signal durch die Verstärker 22, 23, welche die Phasenverschiebung steuern, die dem
Lichtstrahl 4' 1 mitgeteilt wird, der den Bezugszweig des Interferometers in der
vorbeschriebenen Weise bildet, so daß der symmetrische Zustand des Interferometers
wieder hergestellt wird. Die Charakteristiken des Steuerkreises sind derart, daß
dieser mehr auf die relativ niedrigfrequente Komponente mit großer Amplitude der
Bewegungen der Oberfläche 1 anspricht. Auf diese Weise schaltet sich der Steuerkreis
auf diese Komponenete auf und hält das Interferometer automatisch in einem symmetrischen
Zustand.
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Der Differentialverstärker 16 erzeugt ein Signal, welches die Amplitude
der hochfrequenten Komponente der Schwingung auf der Oberflächetanzeigt. Die Proportionalitätskonstante
zwischen den hochfrequenten Verschiebungen der Oberfläche 1 und dem Signal von dem
Differentialverstärker 16 kann in Termen der Wellenlänge des verwendeten Lichtes
ermittelt werden, indem das Interferometer entriegelt wird und man die Spitze-Spitze
Auslenkungen bei dem Signal von dem Differentialverstärker 16 beobachtet. Ein Signal,
das die Geschwindigkeit der niederfrequenten Schwingungskomponente
der
Oberfläche 1 anzeigt, ist außerdem vorhanden und kann bei Bedarf verwendet werden.
Ferner kann die niederfrequente Verschiebung der Oberfläche 1 in der am nächsten
befindlichen Viertelwellenlänge des in dem Interferometer verwendeten Lichtes durch
Zählen der Takte des einen oder anderen Signals S1,S2 2 ermittelt werden, die an
die elektrooptische Baueinheit 6 übermittelt werden.
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Fig. 2 zeigt ein anderes optisches System einer zweiten Ausführungsform
der Erfindung. Ein Steuerkreis, der mit dem vorstehend beschriebenen Steuerkreis
übereinstimmt, findet ebenfalls bei dieser Ausführungsform Verwendung. Linear polarisiertes
Licht von einer Laserquelle 31 wird in zwei Strahlen 31' 31'' durch einen Glasplatten-Strahlenteiler
32 aufgeteilt. Der Lichtstrahl 31' bildet den Bezugszweig des Interferometers, und
der Lichtstrahl 31'' wird als Meßzweig des Interferometers verwendet.
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Der Lichtstrahl 31' fällt durch ein Nichol-Prisma 36 und gelangt anschließend
durch ein Viertelwellenplättchen 33, welches den Lichtstrahl in zirkular polarisiertes
Licht umwandelt, und pflanzt sich dann durch eine elektrooptische Einheit 34 fort,
die mit der entsprechenden Einheit der ersten Ausführungsform des Interferometers
identisch ist. Das Licht, das aus der elektrooptischen Einheit 34 heraustritt, wird
durch diese Einheit mittels eines Spiegels35 zurückreflektiert. Das Ziel des doppelten
Durchgangs des Lichtstrahls 31> durch die elektrooptische Einheit 34 besteht
darin, zwei überlagerte Lichtstrahlen 35',35'' zu erzeugten, von denen einer die
gleiche Drehrichtung und Frequenz wie der zirkular polarisierte Teil des Lichtstrahles
3i' aufweist und wobei der andere eine unterschiedliche Drehrichtung und Frequenz
besitzt. Die Lichtstrahlen 35',35'' gehen anschließend zurück durch das Viertelwellenplätchen
33, welches sie in linear polarisiertes Licht unterschiedlicher Ausrichtungen umwandelt.
Die beiden Lichtstrahlen 35',35'' verlaufen anschlieBend durch das Nichol-Prisma
36, das den Lichtstrahl eliminiert, der die gleiche Frequenz wie der ursprüngliche
Lichtstrahl hat. Der übrigbleibende Lichtstrahl 35'' wird durch den Strahlenteiler
32 auf einen Spiegel 37 reflektiert und von dort auf einen polarisierenden StrahlenflA
a a A n 1 A
teiler 38. Inzwischen tritt der Lichtstrahl 31'' aus
dem Strahlenteiler 32 aus, geht durch einen Polarisator 39 und wird durch eine Linse
40 zu einem Brennpunkt auf der vibrierenden Oberfläche 1 gebündelt. Das von der
Oberfläche 1 reflektierte oder gestreute Licht wird durch die Linse 40 in einen
parallelen Strahl 41 umgewandelt, läuft zurück durch den Polarisator 39 und anschließend
durch eine Halbwellenplatte 42, die derart angeordnet ist, daß die Polarisationsebene
des Lichtstrahls 41 senkrecht zu derjenigen des Lichtstrahls 35'' verläuft. Der
Lichtstrahl 41 fällt dann auf Strahlenteiler 32, der derart angeordnet ist, daß
die Lichtstrahlen 35'' und 41 vereinigt werden, bevor sie durch den Spiegel 37 auf
den polarisierenden Strahlenteiler 38 reflektiert werden. Wie vorstehend beschrieben
interferieren die beiden Strahlen 35'' und 41 nicht miteinander, aber sie können
durch den polarisierenden Strahlenteiler 38 in zwei interferierende phasenverschobene
Kanäle aufgeteilt werden.
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Bei der dritten Ausführungsform des Interferometers gemäß Fig. 3
findet ein anderes optisches System Verwendung, bei welchem der Glasplatten-Lichtstråhlenteiler
32 durch einen geteilten Kubus-Strahlenteiler 50 ersetzt wird. Ferner werden der
Polarisator 39 und die Halbwellenplatte 42 durch ein neutrales Dichtefilter 43 und
eine Viertelwellenplatte 44 ersetzt. Der Lichtstrahl 31', der in dem Meßzweig des
Interferometers verwendet wird, wird in zwei Duzhgängen durch die Viertelwellenplatte
44 geleitet, so daß diese in der gleichen Weise wie eine Halbwellenplatte wirkt.
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Der übrige Teil der Ausführungsform des Interferometers gemäß Fig.
3 ist der gleiche, wie er bereits im Zusammenhang mit der Ausführung gemäß Fig.
2 beschrieben wurde, und die einzelnen Teile sind durch die gleichen Bezugszeichen
wie bei der Ausführung nach Fig. 2 gekennzeichnet.
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L e e r s e i t e