DE2930252A1

DE2930252A1 - Verfahren und anordnung zur optischen interferenzmessung

Info

Publication number: DE2930252A1
Application number: DE19792930252
Authority: DE
Inventors: Juergen Dipl Phys Dr Drenckhan; Roland Dipl Phys Trinks
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1979-07-26
Filing date: 1979-07-26
Publication date: 1981-02-19

Description

Titel: Verfahren und Anordnung zur optischen
Int erferenzmessung Anwendungsgebiet der Erfindung: Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Interferenzmessung und eine integriert-optisohe Anordnung zur Durchführung des Verfahrens, z.B. zur inkrementalen Längen- oder Winkelmessung.
Charakteristik der bekannten technischen Lösungen: Es ist bereits eine integriert-optische Anordnung zur Interferenzmessung bekanntgeworden. Dabei wird ein einfallender Lichtstrahl innerhalb einer Wellenleiterschioht duroh ein erstes teildurohlässiges Element in zwei Anteile zerlegt, die durch aflektierende Elemente an eine Stelle geführt werden, an der sich ein zweites teildurohlässiges Element zur Zusammenführung der beiden Strahlanteile und damit zur Ermöglichung der Interferenz befindet.
Die Herstellung einer derartigen Anordnung ist mit der notwendigen definierten Genauigkeit der ReElexions- bzw.
Transmissionseigenschaften der einzelnen Elemente nur mit hohem Aufwand zu realisieren. Außerdem ist ftlr die Funktion der Meßanordnung die relative Lage der reflektierenden Elemente zu den teildurchlässigen Elementen entscheidend. Daraus resultieren teohnologische Sohtserigkeiten.
Ziel der Erfindung: Die Erfindung verfolgt das Ziel, ein Verfahren und eine integriert;-optisohe Anordnung zur Int erferenzmessung zu entwickeln, die gegenüber makrooptisohen Ausführungen den Vorteil geringer Baugröße Herstellungskosten, Ersohütterungs- und Temperaturempfindliohkeit und geringen Energiebedarfs aufweisen.
Darlegung des Wesens der ErSindung: Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch Anwendung einer integriert-optischen Anordnung und des dazugehörigen Verfahrens die genannten Mängel des Standes der Technik zu beseitigen. Das Verfahren und die Anordnung sollen zur Messung von Längen Winkeln, Temperaturänderungen usw.
universell einsetzbar sein.
Diese Aufgabe wird duroh ein Verfahren zur optischen Interferenzinessung mittels einer integriert-optischen Anordnung erfindungsgemäß daduroh gelöst, daß zwei Moden in einen Wellenleiter eingekoppelt werden, in diesem Wellenleiter Snterterieren und die duroh einen Meßvorgang veränderte relative Phasenlage beider Moden gemessen wird.
Die Realisierung des Verfahrens gelingt mit einer integriert-optischen Anordnung zur optischen Interferenzmessung, bei der sich erfindungsgemäß zwischen einem Träger und einer Deckschicht ein Mehrmoden-Wellenleiter befindet, dessen effektive Breohnungsindices für jeweils zwei eingekoppelte Moden sich so unterscheiden, daß eine Interferenzperiode entsteht, deren einzelne Maxima durch eine au9 der Deoksohicht befindliche, energetisch an den Wellenleiter angekoppelte Reihe von Photoempfängern registriert werden kann, daß ein erster aus der Reihe der Phctoernpfänger zur Messung der entstehenden Phasenverschiebung in Einheiten von ?L/2 ein zweiter Photoempfänger, der zum ersten um eine halbe Interferenzperiode versetzt ist, für eine Richtungsunterscheidung der Phasenänderung vorgesehen sind und die übrigen Photoepfänger der Reihe eine Verschiebung in von der Zahl der Photoempfänger abhängigen Unterteilung von #/2 zu registrieren gestatten.
Ausführiingsbeisiel: An Hand eines von mehreren möglichen in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen soll das Wesen der ErSindung näher erläutert werden.
Auf einem Träger 1 befindet sich ein Zwei-Moden-Wellenleiter 2 , der von einer dielektrischen Sohicht 3 bedeckt ist, deren Brechkraft kleiner ist als die des Wellenleiters. An einem Ende des Wellenleiters befindet sich ein Einkoppelgitter 4 . Ein erster Laserstrahl 5 , der die TEo-Mode enthält, trifft unter dem Synchronwinkel für diese Mode auf das Einkoppelgitter 4 , so daß der Teo-Mode im Wellenleiter 2 angeregt wird. Ein zweiter Laserstrahl 6 , der die TEi-Mode enthält, wird unter dem Synohronwinkel für diese Mode au9 das Einkoppelgitter 4 geführt. Im Wellenleiter 2 wird also gleichzeitig die TE1-Mode angeregt. Der Wellenleiter 2 muß solche Eigenschaften besitzen, daß sich die effektiven Brechungsindices für die TE0-Mode und TE1-Mode nur sehr gering unterscheiden0 Als Beispiel können folgende Werte angegeben werden: wobei neff den wirksamen Brechungsindex in Ausbreitungsrichtung der Laserenergie, kz die Wellenzahl in z-Richtung, k die Wellenzahl des Laserlichtes und b kz die Differenz der Wellenzahlen in z-Richtung bedeuten.
Wenn sioh, wie im vorliegenden Beispiel, die kzWerte um 0,0157 untersoheiden,dann entsteht im Wellenleiter ein Interferenzmuster, das inL z-Richtung eine Periode von 400 sm aufweist Auf der Oberfläche des Wellenleiters sind im Abstand von Jeweils 420 Xm schmale Auskoppelgitter mit einer Breite von etwa 20 Xm aufgebracht. Diese Gitter, die in der Zeichnung nicht dargestellt sind, besitzen eine niedrige Auskoppeleffektivität. Die duroh diese Gitter ausgekoppelte Energie trifft auf Photodioden 9...16, die z.B. auf die dielektrische Schicht 3 aufgeklebt sind. Au9 Grund der seitliohen Versetzung der Photodioden gegenüber den Intensitätsmaxima nimmt die registrierte Intensität im gewählten Beispiel in z-Richtung stetig ab.
Wird ein Laserstrahl 5 und der Laserstrahl 6 durch die +1. und die -1. Beugungsordnung eines bestrahlten Gittermaßstabes gebildet, dann bewegt sich das Interferenzstreifenmuster im Wellenleiter in z-Richtung um 24 wenn das Meßgitter um eine Gitterperiode verschoben wird.
Mit Hilfe des ersten Photoempfängers 7 erfolgt eine inkrementale Zählung in Einheiten der halben Periode des Meßgitters. Die Photoempfänger 7...16 bilden in ihrer Gesamtheit einen optischen Nonius, so daß als Maßeinheit Y20 der Meßgitterperiode angegeben werden kann.
Wird neben dem ersten Photoempfänger 7 ein zweiter, in der Zeichnung nicht dargestellter Photoempfänger angebracht, der um +- gegenüber aed ersten versetzt ist, dann kann eine Vorwärts- und Rttokwärtsbewegung des MeD-gitters unterschieden werden.
Die im Wellenleiter eingezeichnete Linie stellt Schematisch die Intensitätsverteilung dar.

Claims

ErfindungsansDraoh: Verfahren zur optischen Interferensmessung mittels einer integriert-optischen Anordnung, daduroh gekennzeichnet, daß zwei Moden in einen Wellenleiter eingekoppelt werden, in diesem Wellenleiter interferieren und. die du roh einen Meßvorgang veränderte relative Phasenlage beider Moden gemessen wird.
2. Integriert-optische Anordnung zur optischen Interferenzmessung, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen einem Träger und einer Deokschicht ein Mehrmod.en-Wellenleiter befindet, dessen effektive Brechungsindioes für jeweils zwei eingekoppelte Moden sich so unterscheiden, daß eine Interferenzperiode entsteht, deren einzelne Maxima durch eine auf der Deckschicht befindliche, energetisch an den Wellenleiter angekoppelte Reihe von Photoempfängern registriert werden kann, daß ein erster aus der Reihe der Photoempfänger zur Messung der entstehenden Phasenverschiebung in Einheiten von /2 , ein zweiter Photoempfänger, der zum ersten um eine halbe Interferenzperiode versetzt ist, fur eine Richtungsunterscheidung der Phasenänderung vorgesehen sind und die übrigen Photoempfänger der Reihe eine Verschiebung in von der Zahl der Photoempfänger abhängigen Unterteilung von h/2 zu registrieren gestatten.