DE2946560A1

DE2946560A1 - METHOD FOR MEASURING THE WAVELENGTH OF A LASER BEAM

Info

Publication number: DE2946560A1
Application number: DE19792946560
Authority: DE
Inventors: Karl-Werner Dipl Ing Dr Gommel; Norbert Dipl Phys Oertel; Rolf Rueger; Werner Dipl Ing Scheler
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1979-01-05
Filing date: 1979-11-17
Publication date: 1980-07-17
Also published as: GB2039382B; DD140791A1; DD140791B1; GB2039382A

Description

Anwendungsgebiet der Erfindung:Field of application of the invention:

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Wellenlänge eines frequenzstabilisierten Laserstrahls in einem gasförmigen Medium unter Berücksichtigung der Umwelteinflüsse Druck, Temperatur und Zusammensetzung des Gases, d. h. zur indirekten Bestimmung des Brechwertes des gasförmigen optischen Mediums. Dieses Verfahren findet z. B. in Präzisionsmeß- und -bearbeitungsgeräten Anwendung, in denen die Wellenlänge eines Laserstrahles als Längennormal verwendet wird.The invention relates to a method for measuring the wavelength of a frequency-stabilized laser beam in a gaseous medium, taking into account the environmental influences pressure, temperature and composition of the gas, d. H. for the indirect determination of the refractive index of the gaseous optical medium. This method takes place e.g. B. in precision measuring and processing equipment application in which the wavelength of a laser beam is used as a length standard.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen:Characteristics of the known technical solutions:

Die Wellenlänge eines Laserstrahls hängt bei einem frequenzstabilisierten Laser vom Brechwert des optischen Mediums ab, das der Strahl durchläuft. Bei Präzisionsmeß- und -bearbeitungsgeräten mit Laser-Wegmeßsystemen ist es notwendig, die Umwelteinflüsse - insbesondere Druck und Temperatur - vom Meßnormal abzuschirmen bzw. diese zum Zweck der Korrektur der Meßergebnisse zu erfassen. Definierte Verhältnisse sind im Vakuum gegeben. Beim Universal-Einfach-Repeater UER des VLB Carl Zeiss JENA werden die Meßstrahlen in evakuierten Rohren geführt (Jenaer Rundschau 1977, H. 4, S. 168). Da sich die Länge des evakuierten Rohres mit dem Meßweg ständig ändern muß, ergeben sich konstruktive Probleme bei der Abdichtung des evakuierten Rohres und zur Aufbringung der notwendigen Kräfte zur Verschiebung des mit dem Präzisionskoordinatentisch verbundenen teleskopartigen evakuierten Rohres.With a frequency-stabilized laser, the wavelength of a laser beam depends on the refractive power of the optical medium through which the beam passes. In the case of precision measuring and processing devices with laser measuring systems, it is necessary to shield the environmental influences - in particular pressure and temperature - from the measurement standard or to record them for the purpose of correcting the measurement results. Defined conditions are given in a vacuum. With the universal single repeater UER of the VLB Carl Zeiss JENA, the measuring beams are guided in evacuated tubes (Jenaer Rundschau 1977, no. 4, p. 168). Since the length of the evacuated pipe has to change constantly with the measuring path, structural problems arise in sealing the evacuated pipe and in applying the forces necessary to move the telescopic evacuated pipe connected to the precision coordinate table.

Ein verbreitetes Verfahren ist die rechnergesteuerte Korrektur der Meßwerte des Laser-Wegmeßsystems nach der bei Beginn des Meß- oder Bearbeitungsvorganges konventionell ermittelten Anfangsdaten Druck und Temperatur (Feingerätetechnik 1976, H. 6, S. 256). Bei längeren Bearbeitungszeiten sind es insbesondere Druckschwankungen durch Klimaanlagen oder metereologische Vorgänge, die eine kontinuierliche Korrektur entsprechend den momentanen Daten verlangen. Der Aufwand für die kontinuierliche digitale Messung der einzelnen Umweltfaktoren (Druck, Temperatur, Feuchte, CO tief 2-Gehalt) und ihre rechentechnische Verarbeitung zur Meßwertkorrektur ist recht hoch. Es lag daher nahe, den Brechwert der Luft direkt interferometrisch zu messen. Die BRD-Auslegeschrift 1 235 601 beschreibt ein zusätzlich zur eigentlichen interferometrischen Meßeinrichtung vorhandenes Normalinterferometer zur Überwachung des Brechwertes der Luft. Bei einer Abweichung vom definierten Anfangswert wird der Druck innerhalb des gesamten hermetisch abgedichteten Gerätes automatisch korrigiert. Die Auffangswerte für Druck, Temperatur usw. werden gemessen und durch Veränderung des Anfangsdruckes der gewünschte Brechwert eingestellt. Neben diesem Nachteil ist der druckdichte Mantel mit einem hohen Aufwand und mit Nachteilen im industriellen Einsatz solcher Geräte (Beschickung) verbunden. (siehe auch Feingerätetechnik, 1974, H. 6, S. 274) In der BRD-Auslegeschrift 1 623 300 ist eine Kompensationseinrichtung mit einem rein optischen Wirkungsprinzip verbunden. Durch ein in den Laser-Strahlengang eingeschaltetes Beugungsgitter erfährt der Meßstrahl eine vom Brechwert der Luft abhängige Ablenkung. Bei Einhaltung bestimmter geometrischer Verhältnisse des gesamten Interferometersystems ergibt sich eine Kompensation des Meßfehlers. Im DDR-Wirtschaftspatent 136 777 und in der Zeitschrift Feingerätetechnik, 1976, H. 7, S. 307 wird ebenfalls die interferometrische Überwachung von Veränderungen des Brechwertes über eine konstante Normalstrecke beschrieben.A common method is the computer-controlled correction of the measured values of the laser measuring system according to the conventionally determined initial data pressure and temperature at the beginning of the measuring or machining process (Feingerätetechnik 1976, H. 6, p. 256). In the case of longer processing times, it is in particular pressure fluctuations caused by air conditioning or meteorological processes that require continuous correction based on the current data. The effort for the continuous digital measurement of the individual environmental factors (pressure, temperature, humidity, CO low 2 content) and their computational processing for the measurement value correction is quite high. It therefore made sense to measure the refractive index of the air directly by interferometry. BRD Auslegeschrift 1 235 601 describes a standard interferometer, which is present in addition to the actual interferometric measuring device, for monitoring the refractive index of the air. In the event of a deviation from the defined initial value, the pressure within the entire hermetically sealed device is automatically corrected. The initial values for pressure, temperature etc. are measured and the desired refractive index is set by changing the initial pressure. In addition to this disadvantage, the pressure-tight jacket is associated with a great deal of effort and disadvantages in the industrial use of such devices (loading). (See also Feingerätetechnik, 1974, no. 6, p. 274) In the Federal Republic of Germany Auslegeschrift 1 623 300, a compensation device is connected to a purely optical operating principle. A diffraction grating switched into the laser beam path causes the measuring beam to be deflected depending on the refractive power of the air. If certain geometrical relationships of the entire interferometer system are adhered to, the measurement error is compensated. In the GDR economic patent 136 777 and in the journal Feingerätetechnik, 1976, issue 7, p. 307, the interferometric monitoring of changes in the refractive index over a constant normal distance is also described.

Neben dem bereits genannten Verfahren der Eingabe der Anfangsdaten wird vorgeschlagen, den Anfangszustand durch ein dynamisches interferometrisches Ausmessen einer festen Maßverkörperung (z. B. Strichmaßstab) mit einem Laser-Wegmeßsystem zu erfassen. Neben dem hohen Aufwand an bewegter Mechanik sind Fehler durch thermische Instabilitäten der festen Maßverkörperung durch zusätzliche, z. B. lichtelektrische Abtastsysteme und durch Kippfehler beim Ablauf des dynamischen Meßvorgangs möglich.In addition to the above-mentioned method of entering the initial data, it is proposed that the initial state be recorded by dynamic interferometric measurement of a solid material measure (e.g. line scale) with a laser measuring system. In addition to the high expenditure on moving mechanics, errors due to thermal instabilities of the solid material measure due to additional, z. B. photoelectric scanning systems and tilt errors during the dynamic measuring process possible.

Ziel der Erfindung:Aim of the invention:

Ziel der Erfindung ist ein einfaches, zuverlässiges, automatisches Verfahren zur Messung der Wellenlängen eines frequenzstabilisierten Lasers bei wechselnden Umwelteinflüssen zum Zweck der Fehlerkompensation in Präzisions-Meß- und -Bearbeitungsgeräten.The aim of the invention is a simple, reliable, automatic method for measuring the wavelengths of a frequency-stabilized laser with changing environmental influences for the purpose of error compensation in precision measuring and processing devices.

Darlegung des Wesens der Erfindung:Explain the essence of the invention:

Nachteil der bisher bekannten Verfahren ist der Umstand, daß der Anschluß der von einem Normalinterferometer erfaßbaren zeitlichen Veränderungen des Brechwertes der Luft an den Anfangswert entweder durch subjektive Messungen der einzelnen Einflußgrößen oder mit aufwendigen selbst fehlerbehafteten Vergleichsmessungen geschieht. Aufgabe der Erfindung ist ein einfaches Verfahren, mit dem ebenso der Anfangszustand wie auch Veränderungen des Brechwertes der Luft in unmittelbarer Nähe des eigentlichen Laser-Wegmeßsystems kontinuierlich gemessen werden. Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, daß eine Normalstrecke interferentiell in bekannter Weise auf Veränderungen des Brechwertes überwacht wird, zur Erfassung der Anfangswerte die Normalstrecke zeitweilig evakuiert wird. Da der Brechwert des Vakuums bekannt ist, gibt eine kontinuierliche Messung der Veränderungen während des Evakuierens bzw. Belüftens und darüber hinaus jederzeit Aufschluß über den absoluten Brechwert der Luft bzw. die Wellenlänge des Laserstrahles, so daß über einen Steuerrechner kontinuierlich die Meßwerte des Laser-Wegmeßsystems des Präzisionsmeß- oder -bearbeitungsgerätes korrigiert werden können. Erfindungsgemäß wird das durch ein Laserinterferometer gelöst, bei dem einer der beiden zur Interferenz gebrachten Strahlen durch den evakuierten Raum bekannter Länge, der andere in der Luft verläuft. Je nach der Dimensionierung der Weglängen beider Strahlen sind zwei Betriebsarten möglich (siehe Ausführungsbeispiele), bei denen der Raum entweder vor Inbetriebnahme des Gerätes evakuiert wird und während des Betriebes belüftet ist oder aus dem anfangs belüfteten Zustand vor der Inbetriebnahme evakuiert wird. Die Messung der Veränderungen während des Betriebes erfolgt dann über den anderen Teilstrahl.The disadvantage of the previously known methods is the fact that the connection of the temporal changes in the refractive index of the air to the initial value, which can be detected by a standard interferometer, is done either through subjective measurements of the individual influencing variables or with complex, even error-prone comparative measurements. The object of the invention is a simple method with which the initial state as well as changes in the refractive index of the air are continuously measured in the immediate vicinity of the actual laser displacement measuring system. The invention is based on the basic idea that a normal route is interferentially monitored in a known manner for changes in the refractive power, and the normal route is temporarily evacuated in order to detect the initial values. Since the refractive index of the vacuum is known, a continuous measurement of the changes during evacuation or ventilation provides information about the absolute refractive index of the air or the wavelength of the laser beam at any time, so that the measured values of the laser measuring system are continuously measured via a control computer of the precision measuring or processing device can be corrected. According to the invention, this is achieved by a laser interferometer in which one of the two beams brought to interference runs through the evacuated space of known length, the other in the air. Depending on the dimensioning of the path lengths of both beams, two modes of operation are possible (see exemplary embodiments) in which the room is either evacuated before the device is started up and ventilated during operation or is evacuated from the initially ventilated state before start-up. The changes during operation are then measured using the other partial beam.

Ausführungsbeispiele:Embodiments:

Ausführungsbeispiel 1 (Figur 1): Der aus dem Interferometer 1 austretende Meßstrahl 2 durchläuft die im evakuierbaren Rohr 3 befindliche Vergleichsstrecke bekannter Länge, wird am Winkelspiegel 4 reflektiert und kommt im Interferometer mit dem am Winkelspiegel 6 reflektierten Referenzstrahl 5 zur Interferenz. Der Winkelspiegel 6 ist so angeordnet, daß die Weganteile in der Luft für beide Strahlen gleich lang sind, so daß sich bei evakuiertem Rohr die Umwelteinflüsse nicht auf die Interferenz auswirken. Zur Kompensation der Glaswege 7 ist im Referenzstrahl eine entsprechende Glasplatte 8 angeordnet. Es ist bei dieser Anordnung wichtig, die Winkelspiegel 4 und 6 durch temperaturstabile Elemente 9 auf konstantem Abstand zu halten. Toleranzen der Länge des evakuierbaren Rohres sind weitestgehend unkritisch. Die Evakuierung erfolgt vor der Inbetriebnahme des Gerätes durch eine Vakuumpumpe 10 über ein einstellbares Ventil 11. Nach dem Einschalten des Interferenzzählers wird über das Ventil 12 langsam bis zum völligen Druckausgleich belüftet. Der Interferenzzähler bleibt während der gesamten Arbeitsphase in Betrieb und erfaßt kontinuierlich die Differenz der Wellenzahl zwischen Vakuum und dem momentanen Zustand der Luft. Ein leichtes Besaugen des Rohres zum vollständigen Temperaturausgleich ist dann sinnvoll, wenn dabei kein störender Druckabfall im Rohr entsteht.Embodiment 1 (FIG. 1): The measuring beam 2 exiting the interferometer 1 passes through the comparison distance of known length in the evacuable tube 3, is reflected at the corner mirror 4 and interferes with the reference beam 5 reflected at the corner mirror 6 in the interferometer. The corner mirror 6 is arranged in such a way that the path portions in the air are the same length for both beams, so that when the tube is evacuated, the environmental influences do not affect the interference. To compensate for the glass paths 7, a corresponding glass plate 8 is arranged in the reference beam. With this arrangement, it is important to keep the corner mirrors 4 and 6 at a constant distance by means of temperature-stable elements 9. Tolerances of the length of the evacuable tube are largely uncritical. The evacuation takes place before the start-up of the device by a vacuum pump 10 via an adjustable valve 11. After the interference counter is switched on, the valve 12 is slowly ventilated until the pressure is completely equalized. The interference counter remains in operation during the entire working phase and continuously records the difference in the wave number between the vacuum and the current state of the air. A slight suction on the pipe for complete temperature equalization makes sense if there is no disruptive pressure drop in the pipe.

Ausführungsbeispiel 2 (Fig. 2): Analog zum Ausführungsbeispiel 1 sind alle Elemente und ihre Bezugszeichen ebenso vorhanden. Es werden nur die funktionellen Unterschiede erläutert. Im Gegensatz zur Ausführung 1 sind beide Interferenzstrahlen gleich lang. Die Glaswege 7 und der Weganteil 2 der Strahlen außerhalb des evakuierbaren Rohres 3 kompensieren sich in ihrer optischen Wirkung mit entsprechenden Weganteilen 5 und 8 im Referenzstrahl. Optisch wirksam bleiben also der Weganteil im Vakuumrohr und ein gleich langer des Referenzstrahles in der Luft. Das Rohr wird nach dem Einschalten des Interferenzzählers langsam evakuiert. Während des Betriebes des Meß- oder Bearbeitungsgerätes bleibt das Rohr evakuiert. Veränderungen des Brechwertes der Luft werden vom entsprechenden Weganteil des Referenzstrahls wahrgenommen und über das Interferometer gemessen. Die Strecken zwischen dem Interferometer 1 und den Winkelspiegeln 4 und 6 sind gleich lang und gegenüber thermischen Längenänderungen des Verbindungselementes unempfindlich, wenn sich das Interferometer 1 und beide Winkelspiegel 4 und 6 auf einer gemeinsamen Grundplatte 9 befinden. Nachteil dieser Ausführung ist die Notwendigkeit der ständigen Evakuierung während der Betriebszeit des Meß- oder Bearbeitungsgerätes.Embodiment 2 (FIG. 2): Analogously to embodiment 1, all elements and their reference symbols are also present. Only the functional differences are explained. In contrast to version 1, both interference beams are of the same length. The optical effects of the glass paths 7 and the path portion 2 of the rays outside the evacuable tube 3 compensate for each other with the corresponding path portions 5 and 8 in the reference beam. The part of the path in the vacuum tube and the same length of the reference beam in the air remain optically effective. The pipe is slowly evacuated after switching on the interference counter. The pipe remains evacuated during operation of the measuring or processing device. Changes in the refractive index of the air are perceived by the corresponding path portion of the reference beam and measured via the interferometer. The distances between the interferometer 1 and the corner mirrors 4 and 6 are of equal length and insensitive to thermal changes in length of the connecting element when the interferometer 1 and both corner mirrors 4 and 6 are on a common base plate 9. The disadvantage of this design is the need for constant evacuation during the operating time of the measuring or processing device.

Claims

1. A method for measuring the wavelength of a frequency-stabilized laser taking into account the environmental influences pressure, temperature, humidity, in which one of the two emitters brought to interference runs at least partially in an evacuable space of known length, characterized in that the evacuable space ventilates and evacuates one after the other or evacuated and ventilated until atmospheric conditions are reached and the wavelength changed under atmospheric conditions compared to the vacuum is measured by counting the interferences.

2. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the path portions of the two beams running in the air or in the glass, one of which is in the evacuable space, the other outside of this space between the interferometer and the measuring or Reference mirror runs, are of the same length.

3. Device for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the total paths of both beams between the interferometer and the measuring or reference mirror and the path components running in the glass are of equal length.