DE2904836C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer Einrichtung mit den im Oberbegriff des Anspruchs aufgeführten Merkmalen, die aus einer Veröffentlichung von Hall und Lee, Applied Physics Letters 29, Nr. 6, 15. September 1976, Seiten 367 bis 369 bekannt sind.

Die Aufgabe, die Wellenlänge einer optischen Strahlung, wie Laserstrahlung, mit einer Genauigkeit von besser als 10⁶ zu bestimmen, ist nicht trivial. Eine Übersicht auf die dabei auftretenden Schwierigkeiten und Probleme, sowie über die neuesten Meßverfahren findet sich in dem Buch "Laser Spectroscopy III. Proceedings of the Third International Conference, Jackson Lake Lodge, Wyoming, USA, July 4-8, 1977", Herausgeber: J. L. Hall und J. L. Carlston, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1977, Kapitel 9: Laser Wavelength Measurements, Seiten 410 bis 426. Das zur Zeit vorteilhafteste und am meisten angewandte Verfahren zur Laserwellenlängen-Bestimmung wurde zuerst von J. L. Hall und S. A. Lee angegeben und beruht auf der Verwendung eines Michelson-Interferometers mit bewegten retroreflektierenden Spiegeln. Bei diesem Meßverfahren wird ein Referenzstrahlbündel genau bekannter Wellenlänge von einem stabilisierten Laser (z. B. einem jodstabilisierten He-Ne-Laser) auf einen photoelektrischen Wandler gelenkt und etwas seitlich versetzt und parallel zum Referenzstrahlungsbündel ein Meßstrahlungsbündel unbekannter Wellenlänge auf einen zweiten Detektor geworfen. Das Interferometer enthält eine Bündelteileranordnung, durch die die einfallenden Strahlungsbündel jeweils in zwei Teilbündel aufgespalten werden, und durch die verschiebbar gelagerten Spiegel kann die Länge des vom einen Teilbündel durchlaufenen Weges bezüglich der Länge des vom anderen Teilbündel durchlaufenen Weges geändert werden. Bewegt man die Spiegel, so werden die aus dem Interferometer austretenden Strahlungsbündel durch die entstehende Interferenz in der Intensität moduliert und die beiden Detektoren liefern dementsprechend modulierte elektrische Signale. Durch Messung bzw. Zählung der Modulationsfrequenzen des Referenzstrahlungsbündels und des Meßstrahlungsbündels läßt sich das Verhältnis der Wellenlängen des Referenz- und Meßstrahlungsbündels ermitteln. Um eine Genauigkeit von mehr als 10⁶ zu erreichen, müssen im bekannten Falle die beweglichen Spiegel um etwa 1 m verschoben werden, wozu etwa 25 Sekunden erforderlich sind. Die bekannte Einrichtung hat einen dementsprechend großen Platzbedarf und wegen der großen Abmessungen muß besondere Sorgfalt hinsichtlich einer erschütterungsfreien Aufstellung aufgewendet werden. Die Einrichtung ist praktisch nur als ortsfestes Gerät verwendbar und die Strahlungsquellen, deren Wellenlänge zu messen ist, müssen daher zu der Meßeinrichtung gebracht werden.

Aus der DE-OS 15 72 599 ist ein Michelson-Interferometer mit einem bewegbaren optischen Element zur Änderung des Wellenlängenunterschiedes der interferierenden Teilstrahlen bekannt, bei welchem die Länge des einen Teilstrahlenganges durch eine rotierende planparallele Platte veränderbar ist.

Aus der DE-OS 24 56 649 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung des Drehwinkels oder des Drehmomentes einer Welle bekannt, bei denen Winkelverschiebungen, die die zu messenden Drehwinkel oder Drehmomente darstellen, in Längenunterschiede zweier optischer Wege umgesetzt und die Längenunterschiede durch interferometrische Mittel gemessen werden. Für die Umsetzung der Winkelverschiebung in die Längenunterschiede der optischen Wege kann eine drehbar gelagerte planparallele Platte vorgesehen sein. Als Strahlenteiler können zwei rhomboidförmige Prismen mit einer gemeinsamen halbreflektierenden Grenzfläche verwendet werden.

Aus der DE-AS 11 09 411 ist ein Interferometer zur genauen Einstellung und Messung von Winkeleinstellungen bekannt, welches ein Doppelprisma aus zwei gleichen Einzelprismen enthält, die längs je einer ihrer einander entsprechenden Flächen zwangsfrei zusammengefügt sind. Eine der beiden in Kontakt stehenden Flächen ist halbdurchlässig verspiegelt, so daß sich ein Bündelteiler ergibt, bei dem die Lichtbündel durch senkrecht zu ihrer Ausbreitungsrichtung verlaufende Grenzflächen ein- und austreten.

In der der DE-OS 29 06 015 entsprechenden älteren Patentanmeldung ist ein Interferometer vorgeschlagen worden, welches die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 aufweist, aber nicht zur Wellenlängenmessung vorgesehen ist und die im Oberbegriff des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale nicht aufweist.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße interferometrische Einrichtung derart weiterzubilden, daß die Wellenlängenmessungen schneller, einfacher und mit gleicher, wenn nicht sogar höherer Genauigkeit durchgeführt werden können. Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Einrichtung erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die vorliegende Einrichtung hat gegenüber der obengenannten bekannten Einrichtung den Vorteil, daß die Messungen schneller und einfacher durchgeführt werden. Die Meßgenauigkeit ist mindestens gleich der der bekannten Einrichtung.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines optischen Teiles einer Einrichtung gemäß der Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 ein Schaltbild einer photoelektrischen Wandleranordnung und Signalverarbeitungsschaltung, die in Verbindung mit dem in Fig. 1 dargestellten optischen Teil in einer Einrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden können, und

Fig. 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Interferometers gemäß Fig. 1.

Der in Fig. 1 dargestellte optische Teil einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung stellt ein sogenanntes Jasny-Interferometer dar. Es enthält einen Bündelteiler aus zwei optisch transparenten Körpern 1 und 2, im vorliegenden Falle Quarzblöcken, die die Form von rechtwinkligen Parallelepipeden der Länge a und der Höhe b haben und an vier Seiten poliert sind, nämlich an zwei Stirnflächen 1 a und 1b bzw. 2a und 2b sowie zwei Seitenflächen 1c und 1d bzw. 2c und 2d. Die Seitenflächen 1c und 2c sind sehr nahe beieinander angeordnet, sie berühren sich jedoch nicht, sondern sind durch eine Luftschicht von 108 Nanometern Dicke getrennt, die durch zwei bei den langen Rändern des einen Quarzblockes aufgedampfte, ca. 7 Millimeter breite Abstandshalter aus MgF₂ eingehalten wird (nicht dargestellt). Infolge des geringen Abstandes der die Luftschicht begrenzenden Flächen 1c und 2c der Körper 1 und 2 wird die Totalreflexion an diesen Flächen behindert und wirkt die "Grenzfläche" zwischen den beiden Quarzblöcken als 50%iger Bündelteiler bei einer Lichtwellenlänge von 500 Nanometern. Dieses Teilungsverhältnis bleibt auch im ganzen sichtbaren, nahen Ultraviolett und nahen Infrarot in der Nähe von 50%. Das Verhältnis der Länge a zur Höhe b ist so gewählt, daß (a/b)=2n₀ ist, wobei n₀ der mittlere Brechungsindex des Materials (Quarz, d. h. in der Praxis Quarzglas) der Körper 1 und 2 ist. Ein Strahlungsbündel E, das unter dem Brewsterwinkel E₀=55° 40′ auf den Mittelpunkt der Stirnfläche 1 a des Körpers 1 fällt, wird gebrochen und dann an der Gas-Luft-Trennfläche 1c im Verhältnis 1 : 1 geteilt, wobei zwei Teilbündel entstehen, die, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, weiterlaufen, an den freien Seitenflächen 1d bzw. 2d der Körper 1 bzw. 2 total reflektiert werden und aus den anderen beiden Stirnflächen 1b bzw. 2b der Körper 1 und 2 wieder austreten. Die Teilbündel treten dann in eine Stirnfläche 3a eines dritten Körpers 3 aus optisch transparentem Material, vorzugsweise wieder einem Quarz- bzw. Quarzglasblock ein, der die Länge a hat und hinsichtlich Material, Form und Oberflächenbeschaffenheit ebenso ausgebildet ist wie die Körper 1 und 2. Die Höhe des Körpers 3 ist so bemessen, daß die durch die Stirnfläche 3 a eingetretenen Teilbündel sich nach ein- oder mehrmaliger (vorzugsweise zweimaliger) Totalreflexion an polierten Seitenflächen 3c und 3d sich an der anderen Stirnfläche 3b treffen und dort austreten. Die Teilstrahlengänge des Interferometers werden durch eine Reflektoranordnung aus zwei stationären Spiegeln 4 und 5 vervollständigt, die die aus dem Körper 3 austretenden Teilbündel in sich selbst reflektieren. Die zurücklaufenden Teilbündel werden im Bündelteiler 1, 2 zu einem reflektierten Bündel R und einem durchgelassenen Bündel T vereinigt, die aus der Stirnfläche 1 a bzw. 2a austreten. Der Körper 3 ist um eine Achse drehbar, die durch den mit O bezeichneten Punkt in Fig. 1 geht, also senkrecht auf der die Achsen der Strahlungsbündel enthaltenden Ebene steht. Wird der Körper 3 um diese Achse gedreht, so verkürzt sich die Länge des optischen Weges des einen Teilbündels während die Länge des optischen Weges des anderen Teilbündels gegenläufig um den gleichen Betrag verlängert wird. Bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit werden dabei die Intensitäten des reflektierten und des durchgelassenen Strahlungsbündels R bzw. T gegenphasig sinusförmig moduliert. Die Modulationsfrequenz kann sehr hoch sein, da der Körper 3 mit hoher Winkelgeschwindigkeit (gegebenenfalls im Vakuum) rotieren kann. Die beschriebene Führung der Strahlungsbündel hat die Eigenschaft, daß die Einflüsse aller Veränderungen der Oberflächen durch die Fliehkraft, sowie die dadurch verursachten Polarisationseffekte, sowie die Einflüsse von Abweichungen von der genauen Einjustierung des Körpers 3 bezüglich des Restes der Interferometerbestandteile, etwa durch Taumeln der Drehachse oder ähnliche Fehler sich aufheben, weil die Strahlungsbündel durch den Körper 3 genau auf demselben Weg hin- und zurücklaufen.

Die in Fig. 1 dargestellte Stellung des Körpers 3 entspricht dem Rotationswinkel Φ=0. Für kleine Werte des Winkels Φ (Φ≦±5°) ist die Modulationsperiode T₁ der Intensität der austretenden Strahlungsbündel eine nahezu lineare Funktion der mechanischen Rotationsperiode T _m :

T _l = K (Φ,λ) T _m (1)

K (Φ,λ) = λ/{4π [2 cos Φ (a sin i₀ + 2 b cos i₀) - af (Φ)] } (2)

f (Φ) = sin(i₀ + Φ) cos(i₀ + Φ) [n² - sin²(i₀ + Φ)] ^-1/2

+ sin(i₀ - Φ) cos(i₀ - Φ) [n² - sin²(i₀ - Φ)] ^-1/2 (3)

wobei a und b die oben erwähnte Länge bzw. Höhe der Körper sind, i₀ der Einfallswinkel, unter dem das Strahlungsbündel E in den Körper 1 eintritt, λ die Wellenlänge der Strahlung, n der Brechungsindex des Materials der Körper 1 und 2 (z. B. Quarzglas) bei der Wellenlänge λ ist. Der Faktor K (Φ,λ) ist von der Größenordnung 10^-7.

Der Körper 3 durchläuft also während jeder Umdrehung einen kleinen Winkelbereich, in dem das einfallende Strahlungsbündel E das Interferometer durchläuft und als durchgelassenes Strahlungsbündel T aus dem Interferometer austritt. Innerhalb dieses Winkelbereiches nimmt der Körper 3 eine Vielzahl n von Winkelstellungen ein, in denen jeweils für das Strahlungsbündel vorgegebener Wellenlänge, das das Interferometer durchläuft, die Bedingung für ein Interferenzmaximum erfüllt ist.

Der Winkelbereich -Φ _m <Φ< +Φ _m , in dem das Interferometer die Strahlungsbündel modulieren kann, hängt hauptsächlich von der benötigten Linearität von T _l ab, die eine Funktion von T _m ist, d. h. von der Abhängigkeit Δ K vom mittleren Wert von K, wie er in der folgenden Tabelle angegeben ist.

Der ausnutzbare Winkelbereich mag zwar klein erscheinen, man muß jedoch berücksichtigen, daß die Anzahl N der Modulationsperioden T _l (abhängig von Δ K/K und λ) von der Größenordnung 10⁴ bis 10⁵ ist.

Der Aufbau und die Arbeitsweise des in Fig. 1 dargestellten Interferometers wurde oben unter Bezugnahme auf nur ein einfallendes Strahlungsbündel E und dementsprechend nur ein austretendes durchgelassenes Strahlungsbündel T erläutert. Bei einer Wellenlängenmessung wird das Interferometer jedoch von zwei nahe benachbarten und parallel zueinander verlaufenden Strahlungsbündeln durchsetzt, nämlich einem Referenzstrahlungsbündel E _R genau bekannter Wellenlänge und einem Meßstrahlungsbündel E _M unbekannter, zu bestimmender Wellenlänge.

Für diese Strahlungsbündel gelten jeweils die Ausführungen bezüglich des Strahlungsbündels E und aus dem Interferometer treten dementsprechend ein durchgelassenes, moduliertes Referenzstrahlungsbündel T _R sowie ein durchgelassenes moduliertes Meßstrahlungsbündel T _M aus.

Die austretenden Bündel T _R und T _M fallen auf eine photoelektrische Wandleranordnung, die z. B. einen ersten Photodetektor 10 und einen zweiten Photodetektor 12 (z. B. Photodioden, Photovervielfacher) enthält. Der Ausgang des Photodetektors 10, der ein der Modulation des durchgelassenen Referenzstrahlungsbündels entsprechendes elektrisches Signal liefert, ist mit einer phasenstabilisierten Vervielfacherschaltung 14 gekoppelt, die die Modulationsfrequenz mit dem Faktor 100 vervielfacht. Der Ausgang der Vervielfacherschaltung ist mit dem Signaleingang einer Torschaltung 16 gekoppelt, an deren Ausgang ein erster Zähler 18 angeschlossen ist. Der Ausgang des Zählers 18 ist an ein Druckwerk 20 angeschlossen.

Der photoelektrische Wandler 12, dessen Ausgang ein der Modulation des Meßstrahlungsbündels entsprechendes elektrisches Signal liefert, ist über eine Phasenstabilisierungsschaltung 22 mit einem zweiten Zähler 24 geschaltet, der auf einen vorgegebenen Zählwert S einstellbar ist. Im vorliegenden Falle soll angenommen werden, daß der Zähler 24 ein die Torschaltung 16 öffnendes Signal an einen Steuereingang der Torschaltung 16 liefert, wenn der Zählwert kleiner als S ist. Beim Erreichen des Zählwertes S verschwindet dieses Signal und die Torschaltung 16 wird dadurch gesperrt. Das Ausgangssignal des Zählers 24 wird außerdem einem Steuereingang des Druckwerkes zugeführt, das auf das Verschwinden des Ausgangssignales des Zählers 24 anspricht und den dann im Zähler 18 gespeicherten Wert ausdruckt. Die Anordnung gemäß Fig. 2 und ihre Arbeitsweise sind aus der oben erwähnten Arbeit von Hall und Lee bekannt, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Fig. 2 wird die Modulationsfrequenz des Referenzstrahlungsbündels verhundertfacht, um die Modulationsperiode in Hundertstel aufzuteilen. Diese verhundertfachte Modulationsfrequenz wird durch den Zähler 18 gezählt.

Nimmt man als obere Grenze für die z. Z. direkt (also ohne Frequenzumsetzung) zählbare Frequenz 500 MHz an, so ergibt sich für die höchste benutzbare Modulationsfrequenz 5 MHz. Wenn die Körper 1, 2 und 3 eine Länge a von 58,0 mm und eine Höhe b von 19,8 mm haben, errechnet sich für eine Wellenlänge von 500 Nanometern eine Umdrehungsfrequenz des Körpers 3 von 2,5 Hz oder eine Umdrehungsperiode von 0,4 s. Da die Messung in einem Winkelbereich von etwa -9° bis +9° um die in Fig. 1 dargestellte 0°-Lage herum vorgenommen werden kann, beträgt die tatsächliche Meßzeit nur 1/20 der ganzen Umdrehungszeit, d. h. 20 ms. Die mit der beschriebenen Einrichtung erreichbare Meßzeit ist also um Größenordnungen kleiner als die Meßzeiten, die bei Verwendung von Interferometern mit linear verschiebbaren optischen Bauteilen erzielbar ist. Die Anzahl der Modulationsperioden, die bei einer Wellenlänge von 500 Nanometern in dem erwähnten Winkelbereich von 18° durchlaufen wird, beträgt etwa 60 000. Da auf eine hunderstel Periode genau gemessen wird, liegt also die maximale Meßunsicherheit bei dieser Wellenlänge bei 1,6 · 10^-7 und ist bei längeren Wellenlängen kleiner, bei kürzeren Wellenlängen größer, entsprechend der dann jeweils vorliegenden Zahl von auszählbaren Modulationsperioden.

Die Abhängigkeit der Anzahl N der Modulationsperioden von der Größe Δ K/K ist in Fig. 3 graphisch dargestellt.

Aus den bei der Beschreibung des Interferometers erwähnten Dimensionen des rotierenden Quarzblockes und den größenordnungsmäßig gleichen Abmessungen von Bündelteiler und Spiegeln ergibt sich bereits, daß die Einrichtung außerordentlich kompakt und damit wenig erschütterungsanfällig ist. Der aus dem rotierenden Quarzblock bestehende Körper 3 wird vorzugsweise an der Achse eines Gleichstrom­ motors befestigt, dessen Drehzahl elektronisch regelbar ist. Die Rück­ stellung und Freigabe der Zähler 18 und 24 kann durch ein von der Umdrehung des Körpers 3 abgeleitetes Signal in bekannter Weise er­ folgen. Beispielsweise kann an der den Körper 3 tragenden Welle ein Hohlspiegel angebracht sein, vor dem im Abstand des Krümmungsradius des Hohlspiegels ein Spalt angeordnet ist, hinter dem sich übereinander eine Lichtquelle und eine Photodiode oder ein anderer photolelektrischer Wandler befinden. Bei jeder Umdrehung des Motors wird die Lichtquelle kurzzeitig auf die Photodiode abgebildet und ein kurzer Impuls erzeugt, der, wie erwähnt, zur Rückstellung und Auslösung der Zähler verwendet werden kann. Durch Schwenken der aus Spalt, Lichtquelle und Licht­ empfänger bestehenden Einheit mit oder gegen die Drehrichtung des Körpers 3 um dessen Drehachse läßt sich der Zeitpunkt der Erzeugung des Impulses gegenüber der Winkelnullstellung des Körpers 3 vor- oder zurückverlegen. Die Körper 1 und 2 sowie die Spiegel 4 und 5 sind vor­ zugsweise aus einer Grundplatte aus Quarz oder Glaskeramikmaterial geringer Wärmeausdehnung aufgesprengt oder aufgekittet (nicht darge­ stellt) um eine besonders hohe mechanische Stabilität der Anordnung zu gewährleisten.

Claims (1)

1. Inferferometrische Einrichtung zur Messung der Wellenlänge optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit einer Referenzstrahlungsquelle zum Erzeugen eines Referenzstrahlungs­ bündels bekannter Wellenlänge, einem Interferometer, das einen Bündelteiler zum Aufspalten eines einfallenden Strahlungsbündels in zwei Teilstrahlenbündel sowie zwei Teilbündelstrahlengänge, deren optische Längen durch ein bewegliches optisches Bauteil relativ zueinander veränderbar sind, aufweist und vom Referenz­ strahlungsbündel sowie einem dazu parallelen Meßstrahlungsbündel unbekannter Wellenlänge auf zueinander parallelen Wegen durch­ laufen wird, weiterhin mit einer photoelektrischen Wandler­ anordnung zur Umsetzung der aus dem Interferometer austretenden Strahlungsbündel in entsprechende elektrische Signale und einer mit der Wandleranordnung gekoppelten Signalverarbeitungsschaltung, welche zwei mit entsprechenden Ausgängen der photoelektrischen Wandleranordnung gekoppelte Zähler zum gleichzeitigen Zählen von Modulationsperioden der aus dem Interferometer austretenden Referenzstrahlung bzw. Meßstrahlung, eine Steuerschaltung, die den einen Zähler stillsetzt, wenn der andere Zähler einen vor­ gegebenen Zählwert erreicht hat, und einen Frequenzvervielfacher, der zwischen den Ausgang der photoelektrischen Wandleranordnung und den Eingang des die Modulationsperioden der Referenzspannung zählenden Zählers geschaltet ist, enthält, dadurch gekennzeichnet, daß der Bündelteiler zwei optisch transparente, quaderförmige Körper (1, 2) mit jeweils zwei Stirnflächen (1 a, 1 b, 2 a, 2 b); zum Ein- und Austritt der Strahlungsbündel bzw. Teilbündel und jeweils zwei Seitenflächen (1 c, 2 d) enthält, von denen 1 d; 2 c, die eine (1 c) des einen Körpers (1) mit so kleinem Abstand bei der einen (2 c) des anderen Körpers (2) angeordnet ist, daß die Totalreflexion behindert wird und ein schräg auf die Seitenflächen (1 c; 2 c) auffallendes Strahlungsbündel jeweils zu annähernd 50% reflektiert und 50% durchgelassen wird; daß das bewegliche optische Bauteil (3) in der Ebene der Teilstrahlengänge gesehen einen rechteckigen Querschnitt hat und im Strahlengang der Teilbündel drehbar so gelagert ist, daß bei symmetrischer Stellung des optischen Bauteils (3) die Teilbündel jeweils wenigstens annähernd in der Mitte einer Stirnfläche ein- bzw. austreten und an den Seitenflächen jeweils mindestens einmal reflektiert werden, und daß eine Reflektoranordnung (4, 5) vorgesehen ist, die die aus dem drehbaren optischen Bauteil (3) austretenden Teilbündel in sich reflektiert.