DE3306709C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Laserinterferometer zur Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 3 genannten Art.

Die optische Länge δ eines Lichtweges innerhalb einer Lichtwegstrecke wird von der geometrischen Länge l dieser Strecke und dem Brechungsindex n des Mediums längs dieser Strecke bestimmt. Bei bekannter geometrischer Länge der Lichtwegstrecke l kann aus der optischen Länge des Lichtweges der mittlere Wert des Brechungsindexes des Mediums, in dem der Lichtstrahl verläuft, bestimmt werden, woraus sich beispielsweise die mittlere Dichte einer Flüssigkeit oder eines Gases, die Homogenität optischer Werkstoffe oder einer chemischen Zusammensetzung usw. sowie die Verteilung dieser Größen in zum Lichtstrahl senkrechten Richtungen und deren zeitliche Änderungen ermitteln lassen. Bei bekanntem Brechungsindex n kann andererseits die geometrische Länge l der Lichtwegstrecke festgestellt werden, die wiederum beispielsweise zur Ermittlung geometrischer Parameter eines zu untersuchenden Objektes und/oder dessen Bewegungen dienen kann.

Bekannt sind Verfahren zur Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke, die die Interferenz zweier Lichtbündel anwenden, von denen das eine durch das zu untersuchende Medium und das andere durch ein Medium mit bekanntem Brechungsindex und bekannter geometrischer Länge verläuft, und Vorrichtungen zur Durchführung dieses Verfahrens (Zweistrahlinterferometer vom Michelson-, Mach-Zehnder-Typ u. ä.). Das Verfahren bzw. diese Zweistrahlinterferometer haben die folgenden Nachteile:

Das Vorzeichen der Änderung der Differenz zwischen den optischen Weglängen des Meß- und des Vergleichslichtbündels ist unbestimmt, die Auswertung des Interferenzbildes ist aufwendig, da diese in der Regel durch Ablesung der Interferenzstreifen in einer Photographie vorgenommen wird. Darüber hinaus ist die Meßgenauigkeit gering, da diese von einer Reihe apparativer Faktoren abhängt und es schwierig ist, die optische Länge der Lichtwegstrecke des Vergleichsbündels über längere Zeiten konstant zu halten, insbesondere bei äußeren Einflüssen wie Temperaturschwankungen, äußeren Schwingungen usw. Außerdem sind die optischen Systeme der Zweistrahlinterferometer kompliziert und daher teuer.

Bekannt ist ferner ein Verfahren zur Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke durch Interferenz zweier Bündel kohärenten Lichtes, eines Meß- und eines Vergleichsbündels, bei dem die Lichtfrequenz des einen Bündels gegenüber der Lichtfrequenz des anderen Bündels um einen vorgegebenen Betrag Ω verschoben wird, der im Rundfunkfrequenzbereich liegt, und bei dem zur Registrierung des Interferenzbildes eine photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes vorgenommen und eine Phase der Wechselstromkomponente des erhaltenen elektrischen Signals gemessen wird, aus der sich die optische Länge der Lichtwegstrecke im Meßbündel ermitteln läßt. Es ist auch ein Laserinterferometer zur Durchführung dieses Verfahrens bekannt (N. A. Massie, Applied Optics Vol. 19, No. 1, 1980, Seiten 154 bis 160).

Bei diesem Verfahren bzw. dem entsprechenden Laserinterferometer wird mittels eines Lasers und eines optischen Frequenzmodulators ein kohärentes Lichtbündel mit zwei Komponenten erzeugt und die Lichtfrequenz der einen Komponente gegenüber der Lichtfrequenz ω der anderen Komponente um den vorgegebenen Betrag Ω verschoben, die genannten Komponenten mit verschiedenen Frequenzen in ein Vergleichs- und ein Meßbündel aufgeteilt, wobei das Meßbündel durch die zu untersuchende Wegstrecke und das Vergleichsbündel durch die Strecke mit bekannter optischer Weglänge δ _o läuft, woraufhin die Bündel vereinigt werden. Die Interferenz der Lichtwellen mit verschiedenen Frequenzen ω und ω + Ω und verschiedenen Phasen δ _o und δ ( ρ ) ergibt ein Interferenzbild, dessen Intensität J am Punkt ρ durch

J ( ρ, t) = J _o ( ρ ) {1 + cos [Ω t - ( δ ( ρ ) - δ _o )]}

beschrieben wird, wobei t die Zeit ist.

Das von dem photoelektrischen Wandler in diesem Punkt aufgenommene elektrische Signal besitzt, wie aus der obigen Gleichung zu ersehen ist, einen Wechselstromanteil mit einer Frequenz Ω, die gleich der Differenz der Frequenzen ω und ω + Ω ist, und eine Phase, die gleich der Phasendifferenz Δδ = δ ( ρ ) - δ _o der interferierenden Bündel ist.

Mittels dieses Verfahrens kann das Meßergebnis in Form der Phase des elektrischen Signales digital angezeigt und unmittelbar in einen Rechner zur Realzeitverarbeitung und zur Speicherung eingegeben werden. Diesem Verfahren und diesem Interferometer sind jedoch auch die Nachteile der Zweistrahlinterferometer eigen, die insbesondere mit der Kompliziertheit und hohen Kosten des optischen Systems sowie der schwierigen Sicherung stabiler Bedingungen für die Vergleichswegstrecke verbunden sind.

Es ist auch bekannt, zur Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke eine Mehrstrahlinterferenz gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 4 anzuwenden, die beispielsweise aus C. Fabry, A. Perot, Ann. Chim. Phys. 16, 115, 1899, bekannt ist (Mehrstrahlinterferometer vom Fabry-Perot- oder Fizeau-Typ). Im allgemeinen ist dabei die Lichtwegstrecke zwischen zwei reflektierenden Elementen eingeschlossen, deren Reflexionskoeffizienten kleiner eins sind. Das kohärente Lichtbündel durchläuft dabei nach dem Durchsetzen des ersten der reflektierenden Elemente die vorgegebene Lichtwegstrecke bis zum zweiten reflektierenden Element und erleidet dabei eine Phasenverzögerung δ, die von der gesuchten optischen Länge des Lichtweges längs dieser Strecke abhängig ist. Ein Teil des Lichtes durchsetzt das zweite reflektierende Element, während der andere Teil reflektiert wird und wieder die vorgegebene Lichtstrecke durchläuft, so daß er eine zusätzliche Phasenverzögerung δ erfährt usw. Sowohl auf der Seite des ersten reflektierenden Elementes als auch auf der Seite des zweiten reflektierenden Elementes tritt also eine Vielzahl interferierender Lichtbündel aus. Die Abhängigkeit des interferierten Lichtes von der optischen Länge der vorgegebenen Strecke wird durch eine nicht-sinusförmige periodische Funktion mit einer Periode Δδ = 2 π ausgedrückt, wobei die Zahl von ganzen Perioden, d. h. die Ordnung der Interferenz D = int gleich einer ganzen Zahl von Lichtwellenlängen λ /n innerhalb der vorgegebenen Strecke ist und der Intensitätsverlauf innerhalb einer Periode einen Bruchteil d dieses Wertes der optischen Weglänge wiedergibt:

δ = 2 π (d + D).

Bei diesem Verfahren durchlaufen alle interferierenden Bündel ein und denselben optischen Weg, so daß kein Vergleichsbündel erforderlich ist und die damit verbundenen Fehler wegfallen. Ansonsten kann auch mit diesem Verfahren nicht das Vorzeichen einer Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke ermittelt werden. Die Kontur des Interferenzstreifens hat eine komplizierte Form, die die Meßgenauigkeit stark einschränkt. Insbesondere besteht keine Möglichkeit, die Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke zu automatisieren, im wesentlichen wegen schwankender Intensitäten des interferierten Lichtes, der Unbestimmtheit des Vorzeichens der Änderung der optischen Länge des Lichtweges und infolge eines geringen Rauschabstandes des Signals bei photoelektrischer Umwandlung des interferierten Lichtes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren und das Laserinterferometer zur Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke der im Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. 3 angegebenen Art so auszugestalten, daß die Information über die gesuchte optische Länge der Lichtwegstrecke unmittelbar in einen Zifferncode umgesetzt und dieser in Realzeit verarbeitet werden kann, wobei eine hohe Genauigkeit der Messung sowie eine Berücksichtigung einer Vorzeichenänderung möglich sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 bzw. 3 angegebenen Merkmalen gelöst.

Das Interferometer nach Anspruch 3 hat dabei den Vorteil einer hohen Genauigkeit bei einem sehr einfachen Aufbau der Interferenzanordnung.

Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. Laserinterferometers sind Gegenstand der Unteransprüche 2 und 4 bis 10.

Die Ausführung nach Anspruch 2 ermöglicht es dabei zusätzlich, über eine Konstanthaltung und automatische Regelung der optischen Länge der vorgegebenen Strecke sowie physikalischer Größen und Vorgänge, die die optische Länge des Lichtweges bestimmen, die Empfindlichkeit und Meßgenauigkeit noch weiter günstig zu beeinflussen.

Die Ausbildung des Interferometers nach Anspruch 4 ermöglicht es, die zu messende optische Länge der Lichtwegstrecke sehr einfach in einen Zifferncode umzusetzen, und die der Ansprüche 5 und 6, das Anwendungsgebiet zu erweitern, z. B. auf die Untersuchung undurchsichtiger Objekte (Anspruch 6). Dabei ist mit der Ausgestaltung nach Anspruch 7 die zu messende optische Länge des Lichtweges bei der Untersuchung solcher undurchsichtiger Objekte sehr einfach in einen Zifferncode umzusetzen. Der Gegenstand der Ansprüche 8 ermöglicht es, die Untersuchung auf Objekte mit optischer Anisotropie auszuweiten. Die Ausgestaltung nach Anspruch 9 erhöht die Lichtausnutzung und damit die Empfindlichkeit des Interferometers um das Doppelte, was weiter zur Meßgenauigkeit beiträgt.

Anhand der Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 schematisch die Konfiguration eines elektrischen Feldes zweier Lichtkomponenten I und II eines Ausgangsbündels mit Polarisationen α und β sowie Frequenzen ω und ω + Ω;

Fig. 2a schematisch den Verlauf von Strahlen bei der Bildung interferierender Lichtbündel auf einer vorgegebenen Wegstrecke und die Umwandlung der Lichtpolarisationen zur Messung der optischen Länge der Lichtwegstrecke;

Fig. 2b den Verlauf von Strahlen ähnlich wie Fig. 2a für den Fall, daß das Licht einer der unabhängigen Polarisationen bei der Erzeugung der interferierenden Bündel unterdrückt wird;

Fig. 3 die Abhängigkeit des Gleichstromanteils A ( δ ), der Amplitude des Wechselstromanteils B ( δ ) und der Phasenverzerrungen Φ ( w ) eines bei der Messung gebildeten elektrischen Signals von der optischen Weglänge δ;

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Laserinterferometers unter Ausnutzung der Interferenz geradlinig verlaufender Lichtstrahlen;

Fig. 5 eine Ausführungsform des Registrierteils des Interferometers bei Verwendung zirkularer Polarisationen der erzeugten Lichtkomponenten im Ausgangsbündel;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers unter Ausnutzung der Interferenz reflektierter Lichtstrahlen;

Fig. 7 eine Ausführung des Registrierteils des Interferometers bei Verwendung eines Polarisationslichtteilers als Polarisationselement;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers mit erhöhter Empfindlichkeit und möglicher automatischer Einstellung der optischen Länge des Lichtwegs;

Fig. 9 eine Ausführung der Vorrichtung zur Änderung der optischen Länge der Wegstrecke in Form einer hermetisch abgeschlossenen Zelle mit einem unter bekanntem Druck stehenden Gas;

Fig. 10 eine Ausführung der Vorrichtung zur Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke in Form eines aus bekanntem Werkstoff bestehenden Elementes mit bekannter Temperatur;

Fig. 11 eine Ausführung der Einheiten zur Vorgabe und zum Vergleich von Phasenwerten in Form eines Rechners;

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Interferometers mit Unterdrückung des Lichtes einer der unabhängigen Polarisationen;

Fig. 13a eine Ausführung der reflektierenden Elemente in Form von Beugungsgittern und die Einführung des Ausgangslichtbündels unter einem Beugungswinkel zu einem dieser Gitter;

Fig. 13b den Fall, bei dem das Photoregistriergerät auf der Achse eines der gebeugten Bündel angeordnet ist;

Fig. 14 eine Ausführungsform des Laserinterferometers, bei dem die vorgegebene Lichtwegstrecke eine geschlossene gebrochene Linie darstellt, die durch drei reflektierende Elemente gebildet ist;

Fig. 15 eine Ausführungsform, bei der zwei der reflektierenden Elemente Beugungsgitter sind;

Fig. 16 eine Ausführungsform des Laserinterferometers zur Messung der Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt der interferierenden Bündel, welches ein optisches System zur Verbreiterung des Ausgangsbündels aufweist;

Fig. 17 eine Ausführung des Registrierteils des Laserinterferometers mit einem zusätzlichen Photoregistriergerät zur Vermeidung von Phasenverzerrungen im Ausgangsbündel;

Fig. 18 ein Schema für den Anschluß einer Photodetektormatrix an eine Phasenmeßeinheit über einen Umschalter;

Fig. 19 ein Schema für den Anschluß der Photodetektormatrix an einen Satz eigener Phasenmeßeinheiten;

Fig. 20 eine Ausführungsform eines Laserinterferometers zur Messung der Verteilung der optischen Weglänge;

Fig. 21 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers mit Abtastung des Interferenzbildes durch ein enges Lichtbündel und mit einem photoelektrischen Wandler;

Fig. 22 die Verwendung einer Linse zum Ausrichten eines engen Lichtbündels auf einen feststehenden photoelektrischen Wandler;

Fig. 23 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers mit Abtastung des Interferenzbildes durch ein enges Lichtbündel unter Verwendung einer Photodetektormatrix und eines Umschalters;

Fig. 24 ein Schema unter Benutzung eines zusätzlichen photoelektrischen Registriergeräts zur Gewinnung eines Interferenzbildes im statischen Zustand; und

Fig. 25 eine Ausführungsform der Optik des Registrierteils zur Aufteilung des Bündels interferierten Lichtes in Teilbündel je nach Wellenlänge.

Bei dem Verfahren zur Messung der optischen Länge einer vorgegebenen Lichtwegstrecke wird die Mehrstrahlinterferenz bei der Mischung vieler - mehr als zwei - kollinearer Bündel kohärenten Lichtes ausgenutzt. Solche interferierende Bündel werden aus einem kohärenten Ausgangslichtbündel so erzeugt, daß jedes nachfolgende interferierende Bündel aus dem vorhergehenden durch Abtrennen eines Teils des Lichtes mit einer relativen Lichtamplitude ρ und Durchlassen des abgetrennten Teils durch dieselbe Wegstrecke gebildet wird. Es wird somit eine Reihe von Lichtbündeln mit einer Amplitude gebildet, die mit einer geometrischen Progression abnimmt.

Es wird nun ein Ausgangsbündel S′ aus kohärentem Licht mit zwei kollinearen Komponenten I und II erzeugt, die unabhängige Polarisationen α und β und unterschiedliche Frequenzen ω bzw. l + Ω, die voneinander um einen Betrag Ω verschieden sind, der dem Rundfunkfrequenzbereich angehört, aufweisen. Es wird nun auf den Fall eingegangen, bei dem die Ausgangspolarisationen der Lichtkomponenten linear und zueinander senkrecht sind. Das elektrische Feld des Ausgangslichtbündels ist in Vektorform mit Hilfe der Funktion eines optischen Signals darstellbar:

wobei das obere Element die Komponente mit der Polarisation α und das untere Element die Komponente mit der Polarisation β wiedergibt. Angenommen, daß das erste interferierende Bündel mit einer relativen Amplitude r _o und unveränderlichen Polarisationen abgetrennt wird, und daß dessen Phase ein Bezugspunkt für die Phasenverzögerung einer Lichtwelle ist. Jedes nachfolgende Bündel hat eine Amplitude, die von der des vorhergehenden Bündels um das r-fache verschieden ist, es hat eine zusätzliche Phasenverzögerung, die gleich δ ist, und es erfährt eine Umwandlung der Polarisation.

Das optische Signal des Lichtes des k-ten Bündels wird durch den Vektor beschrieben:

Die optischen Signale aller interferierenden Bündel addieren sich zu:

und werden in Komponenten ε _α und ε _β nach den Polarisationen α und β aufgeteilt:

Da bei jedem Durchlauf der vorgegebenen Wegstrecke die Polarisationen der Komponenten gegenseitig ineinander umgewandelt werden, addieren sich in jeder der Komponenten ε _α und ε _β wechselweise die Lichtwellen der Komponenten I mit der Frequenz ω und die der Komponenten II mit der Frequenz ω + Ω. Im Ergebnis der Interferenz entstehen in jeder der Komponenten Schwebungen der Intensität des interferierten Lichtes mit der Frequenz Ω und einer Phase, die von der optischen Länge δ der vorgegebenen Strecke abhängt.

Betrachten wir ausführlicher eine solche Mehrstrahlinterferenz am Beispiel des Fabry-Perot-Interferometers (Fig. 2a). Die Strecke des Lichtwegs ist durch zwei teilweise reflektierende Spiegelflächen reflektierender Elemente 1 und 2 festgelegt, die in einem Abstand l einander gegenüber und senkrecht zur Koordinatenachse OZ angebracht sind. Der mittlere Brechungsindex innerhalb der Strecke sei n. Die optische Länge δ des Lichtwegs ist gleich . Zur Messung von w auf der vorgegebenen Strecke l formiert man ein Ausgangslichtbündel S′, wozu zuerst ein Bündel S kohärenten Lichtes mit einer Wellenlänge λ erzeugt wird, von dem zwei kollineare Komponenten I und II abgetrennt werden, die eine Lichtfrequenz ω = und unterschiedliche unabhängige Polarisationen (orthogonale lineare Polarisationen a′ und β′ oder zirkulare α° und β° mit entgegengesetzten Drehrichtungen des Vektors des elektrischen Feldes) aufweisen, und die Lichtfrequenz einer der ausgesonderten Lichtkomponenten, z. B. der Komponente II, gegenüber der Lichtfrequenz ω der anderen Komponente - Komponente I - um einen Betrag Ω verschoben wird.

Das so gebildete Ausgangslichtbündel S′, welches durch den Vektor beschrieben ist, wird längs der Achse OZ auf die reflektierenden Flächen der reflektierenden Elemente 1 und 2 gerichtet, die Amplitudenreflexionskoeffizienten r₁, r₂ und Amplitudendurchlässigkeitskoeffizienten τ₁ bzw. τ₂ aufweisen ( τ₁² + r₁² = 1; τ₂² + r₂² = 1).

Bei mehrfacher Reflexion des Lichtes an den reflektierenden Elementen 1 und 2 werden in den Richtungen des durchgelassenen und des reflektierenden Lichtes zwei Reihen interferierender Bündel formiert. In dem Querschnitt, in dem sich eine doppelbrechende Platte 3 befindet, kommt bei jedem Durchlauf eine Umwandlung der linearen Polarisationen in eine zirkulare und die der zirkularen in eine lineare zustande.

In Richtung des reflektierten Lichtes wird eine Reihe interferierender Bündel mit linearen Polarisationen α′ und β′ gebildet, deren Parameter in der Tabelle 1 aufgeführt sind:

Tabelle 1

In Richtung des durch die Flächen der reflektierenden Elemente 1 und 2 hindurchgegangenen Lichtes wird eine Reihe von Bündeln mit zirkularen Polarisationen α° und b° erzeugt, welche in der Tabelle 2 zusammengefaßt sind.

Tabelle 2

Beiderseits der vorgegebenen Strecke werden die interferierenden Bündel vereinigt. Das Licht der vereinigten Bündel wird nach den unabhängigen Polarisationen zerlegt. Das Licht der vereinigten reflektierten Bündel wird in Bündel ε _α ′ und ε _β ′ mit linearen orthogonalen Polarisationen und das Licht der durchgelassenen Bündel in Bündel ε _α ° und e _β ° mit entgegengesetzten zirkularen Polarisationen aufgeteilt. In jedem der neugebildeten Bündel erfolgt eine Mehrstrahlinterferenz mit einer Reihe von Bündeln, von denen jedes nachfolgende sich vom vorhergehenden durch eine Phasenverzögerung der Lichtwelle unterscheidet, welche gleich der doppelten optischen Länge 2 δ ist, und durch eine Frequenz, die wechselweise die Werte ω und ω + Ω annimmt. Die Intensität J = ε · ε* des interferierten Lichtes hängt von der Zeit t und der optischen Länge w des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke ab.

Im durchgelassenen Licht sind die Intensitäten J _α ° (t, δ ) und J _ρ ° (t, δ ) der jeweiligen Lichtkomponenten wie folgt definiert:

J _α ° (t, δ ) = A ( δ ) + B ( δ ) cos [Ω t + 2 δ + Φ ( δ ) ]; (1)
J _β ° (t, δ ) = A ( w ) + B ( δ ) cos [Ω t - 2 δ - Φ ( δ ) ]

Im reflektierten Licht werden die Intensitäten J _α ′ (t, δ ) und J _β ′ (t, δ ) der jeweiligen Lichtkomponenten wie folgt ausgedrückt:

J _α ′ (t, δ ) = 1 - A ( δ ) - B ( δ ) cos [Ω t + 2 δ + Φ ( w ) ];-(1′) J _β ′ (t, δ ) = 1 - A ( δ ) - B ( δ ) cos [Ω t - 2 δ - Φ ( δ ) ]

Die Werte A ( δ ), B ( δ ) und Φ ( δ ) sind periodische Funktionen der optischen Länge δ des Lichtwegs, welche von den Reflexionskoeffizienten r₁ und r₂ der reflektierenden Elemente 1 und 2 abhängen. In Fig. 3 sind Diagramme gezeigt, die die Abhängigkeit der Werte A ( δ ), B ( δ ) und Φ ( δ ) von w bei verschiedenen r₁ und r₂ veranschaulichen.

Die Intensitäten J _α °, J _β °, J _α ′ und J _β ′ des interferierten Lichtes in jedem der Bündel werden in elektrische Signale umgewandelt. Der Gleichstromanteil des elektrischen Signals ist proportional zu A ( δ ), die Amplitude des Wechselstromanteils proportional zu B ( δ ), während sich die Phase des Wechselstromanteils ergibt zu:

ϕ = 2 δ + Φ ( δ ) (2)

Aus den Beziehungen (1) und (1′) sowie aus den Diagrammen in Fig. 3 folgt, daß bei geringen Reflexionskoeffizienten r₁ und r₂ der Gleichstromanteil und die Amplitude des Wechselstromanteils des elektrischen Signals bei Änderungen von δ geringe Änderungen erfahren. Im reflektierten Licht ist der Gleichstromanteil nahe der Amplitude des Signals, d. h. der Modulationsgrad des elektrischen Signals nahe eins. Im durchgelassenen Licht überschreitet der Gleichstromanteil die Signalamplitude erheblich. Phasenverzerrungen Φ ( δ ) sind in diesem Fall gering und die Gleichung (2) nähert sich einem linearen Zusammenhang.

Bei zunehmenden Werten der Koeffizienten r₁ und r₂ werden Änderungen des Gleichstromanteils, der Amplitude und der Verzerrung Φ ( δ ) der Phase sprunghaft vergrößert. Die Modulation des bei der photoelektrischen Umwandlung des reflektierten interferierten Lichtes erhaltenen Signals nimmt ab und des bei der Umwandlung des durchgelassenen Lichtes erhaltenen Signals zu. Dabei wird die Nichtlinearität der Gleichung (2) stärker.

Zur Bestimmung der optischen Länge δ des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke mißt man die Phase ϕ der erhaltenen elektrischen Signale und findet den gesuchten Wert δ durch Auflösen der Gleichung δ = δ ( ϕ ) (2).

Man muß beachten, daß bei im Ausgangsbündel abgetrennten zirkularen Polarisationen α° und β° mit entgegengesetzten Drehrichtungen des Vektors des elektrischen Feldes die interferierenden Bündel in reflektiertem Licht zirkulare Polarisationen α° und β°, in durchgelassenem Licht aber lineare Polarisationen α′ und β′ aufweisen, deswegen ist das Licht der gemischten reflektierten Bündel in Komponenten ε _α ° und ε _β ° mit zirkularen Polarisationen und das Licht der gemischten durchgelassenen Bündel in Komponenten ε _α ′ und ε _β ′ mit linearen Polarisationen aufzuteilen. Die Form der zu erhaltenden elektrischen Signale und die Reihenfolge der Schritte des Verfahrens werden dadurch nicht geändert.

Eine andere mögliche Variante des Verfahrens liegt darin, daß man einen Phasenwert ϕ _* = 2 w _* vorgibt, dem ein bekannter Wert der optischen Länge δ _* des Lichtwegs entspricht.

Man ändert die optische Länge δ der Strecke, z. B. durch Verschiebung eines der reflektierenden Elemente oder durch Änderung des Brechungsindexes im Abschnitt der vorgegebenen Strecke.

Gleichzeitig mißt man die Phase ϕ des elektrischen Signals und vergleicht den gemessenen Wert mit dem vorgegebenen Phasenwert ϕ _*.

Im Augenblick, da die zu messenden Werte ϕ mit ϕ _* zusammenfallen, wird der entsprechende Betrag Δδ einer Änderung der optischen Länge des Lichtwegs registriert.

Die gesuchte optische Länge δ wird durch Subtrahieren des registrierten Wertes Δδ der Änderung der optischen Länge der Strecke vom bekannten Wert δ _* der optischen Länge des Lichtweges ermittelt zu

δ = δ _* - Δδ = 1/2 ϕ _* - Δδ (3)

Diese Variante des Verfahrens kann zur automatischen Nachstimmung der vorgegebenen optischen Länge δ der Strecke des Lichtwegs herangezogen werden. Als Abweichungssignal kann eine Größe u dienen, die proportional der Differenz der zu vergleichenden Phasen

u ∼ ϕ - ϕ _*

ist.

Aus der Gleichung (2) folgt, daß der Änderung der optischen Länge δ des Lichtwegs um einen Betrag π im Mittel eine Änderung der Phase ϕ der elektrischen Signale um einen Betrag 2 π entspricht. Dies besagt, daß die mittlere Empfindlichkeit _mittl. beim vorliegenden Verfahren gleich 2 ist.

Jedoch führt die Nichtlinearität der Gleichung (2) dazu, daß in der Umgebung von Werten δ _m der gesuchten optischen Länge der Strecke, welche sich ergeben zu

δ _m = π/4 (2 m - 1), (4)

wobei m eine ganze Zahl ist, die Empfindlichkeit mehrmals so groß sein kann wie der mittlere Wert . So übersteigt beispielsweise bei r₁² = 0,4 und r₂² = 1 bei einer Änderung der optischen Weglänge die Empfindlichkeit den mittleren Wert um das Zweifache, d. h.

Diese Besonderheit kann zur Erhöhung der Meßgenauigkeit der optischen Länge δ des Lichtwegs ausgenutzt werden, wenn man bei der zweiten Ausführungsvariante des Verfahrens zuvor den Phasenwert ϕ des elektrischen Signals mißt und einen Phasenwert ϕ _* vorgibt, der einem der Werte

ϕ _m = 2 δ _m = π/2 (2 m - 1)

gleich ist, welcher dem zuvor gemessenen Wert ϕ am nächsten liegt.

Dem vorgegebenen Wert ϕ _* = ϕ _m entspricht ein bekannter Wert δ _m der optischen Weglänge.

Der gesuchte Wert δ der optischen Länge des Lichtwegs wird durch Subtraktion des registrierten Wertes Δδ der Änderung der optischen Länge der Strecke vom bekannten Wert δ _m entsprechend der Gleichung (3) ermittelt.

Die Inkonstanz der Werte A ( δ ) und B ( w ) sowie die Nichtlinearität der Gleichung (2) können Fehlerquellen bei der Messung der optischen Länge des Lichtwegs sein, besonders in den Fällen, wo die reflektierenden Flächen große Reflexionskoeffizienten aufweisen.

Das wird dadurch behoben, wenn man nach gegenseitiger Umwandlung der Polarisationen der Lichtkomponenten I und II auf der vorgegebenen Strecke das Licht einer der Polarisationen (Fig. 2b) unterdrückt. Es mögen die Komponenten I und II des Ausgangslichtbündels zirkulare Polarisationen α° und β° besitzen. Das erste reflektierte interferierende Bündel weist beide Lichtkomponenten mit unveränderlichen Polarisationen α° und β° auf. Hinter dem Querschnitt, in dem die doppelbrechende Platte 3 angeordnet ist, erlangen die Komponenten des durch die reflektierende Fläche des reflektierenden Elementes 1 hindurchgegangenen Lichtes lineare zueinander senkrechte Polarisationen: Das Licht mit der Ausgangspolarisation α° erlangt eine Polarisation α′, das Licht mit der Polarisation β° aber eine Polarisation β′. Die Lichtkomponente mit einer der linearen Polarisationen, z. B. α′, wird unterdrückt, und zum reflektierenden Element 2 gelangt nurmehr eine Lichtkomponente mit der Polarisation β′. Ein Teil dieser Komponente durchsetzt das reflektierende Element 2, der andere Teil derselben Komponente wird reflektiert und erfährt auf dem Rückweg in der doppelbrechenden Platte 3 eine Umwandlung der linearen Polarisation β′ in eine zirkulare α°, die die entgegengesetzte Drehrichtung des Vektors des elektrischen Feldes gegenüber der zirkularen Ausgangspolarisation β° dieser Komponente aufweist. Ein Teil dieser Komponente passiert das reflektierende Element 1 und bildet ein zweites interferierendes Bündel. Der übrige Teil dieser Lichtkomponente erleidet auf dem Weg vom reflektierenden Element 1 zum reflektierenden Element 2 eine Umwandlung der Polarisation α° in eine lineare Polarisation α′, die senkrecht zur linearen Polarisation β′ dieser Lichtkomponente ist, welche beim ersten Durchlauf des Lichtes vom reflektierenden Element 1 zum reflektierenden Element 2 vorhanden war. Das übrige Licht mit der Polarisation α′ dieser Komponente wird unterdrückt.

Im reflektierten Licht nimmt man eine Vereinigung der beiden gebildeten Lichtbündel vor und teilt das Licht in zwei Bündel mit verschiedenen Polarisationen auf, wobei in einem dieser Bündel nur eine Lichtkomponente vorhanden ist, so daß kein Interferenzbild entsteht, und im anderen Bündel eine Zweistrahlinterferenz erfolgt.

Der Gleichstromanteil und die Amplitude des Wechselstromanteils des erhaltenen Signals hängen bei der Zweistrahlinterferenz nicht von der optischen Länge δ des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke ab und sind daher keine Fehlerquellen. Der Zusammenhang der gesuchten Größe δ mit der Phase ϕ des elektrischen Signals wird durch eine einfache lineare Beziehung

ϕ = 2 δ (5)

ausgedrückt.

Die Lösung dieser Gleichung ist ebenfalls einfach:

δ ( ϕ ) = ϕ/2.

In diesem Fall findet keine Erhöhung der Empfindlichkeit statt. Jedoch stellt die lineare Abhängigkeit ϕ = 2 δ gleich genaue Messungen im gesamten Änderungsbereich der optischen Länge δ des Lichtwegs innerhalb der vorgegebenen Strecke sicher.

Ändert sich die zu messende optische Länge δ des Lichtwegs mit der Zeit, d. h. δ = δ (t), so ändert sich gleichzeitig die Phase ϕ (t) der erhaltenen elektrischen Signale. Durch ununterbrochene Messung und Registrierung der Größe ϕ (t) als Funktion der Zeit können Änderungen der optischen Länge des Lichtwegs in Realzeit untersucht werden.

Von Interesse ist oft eine Untersuchung eines Interferenzbildes als zweidimensionale Verteilung der optischen Länge δ ( p ) = δ (x, y) des Lichtweges in einer Koordinatenebene OXY im Querschnitt interferierender Bündel. In diesen Fällen nimmt man die photographische Umwandlung des interferierten Lichtes an einer Vielzahl von Punkten ρ = (x, y) des Interferenzbildes vor, mißt die Phasenwerte ϕ ( ρ ) = d (x, y) der in sämtlichen Punkten erhaltenen elektrischen Signale und ermittelt nach der Verteilung der Phasenwerte ϕ (x, y) im Querschnitt der interferierenden Bündel die gesuchte Verteilung der optischen Länge δ (x, y) des Lichtwegs in diesem Querschnitt.

Mißt man dabei Phasendifferenzen der Signalpaare, die den Paaren von Punkten im Querschnitt entsprechen, die längs der gewünschten Richtungen in einem Interferogramm gewählt sind, so erhält man Werte der Gradiente der optischen Länge längs dieser Richtungen.

Es ist anzumerken, daß der Phasenwert eines Signals in dem Sinn, in dem er oben gebraucht wurde, im allgemeinen Fall aus einer ganzen Zahl F von Zyklen 2 π und einem Bruchteil f des Zyklus in den Grenzen von 0 bis 2 π besteht:

d = 2 π (F + f) (6)

Durch Einsetzen der Beziehungen δ = 2 π (d + D) und (6) in die Gleichung (2) oder (5) unter Berücksichtigung der Periodizität der Größe Φ ( δ ) erhält man F = 2 D und für die gesuchte optische Länge δ des Lichtwegs

δ = 2 π d (f) + π F (7)

worin d (f) eine Lösung der Gleichung (2) oder (5) bei ϕ = f und d = δ ist.

Bei der Messung der Phase eines elektrischen Signals ermittelt man eindeutig nur den Bruchteil f, während die ganze Zahl F der Zyklen der Phase bei ϕ = f unbestimmt bleibt. Solche Messungen der Phase erlauben es, lediglich Änderungen der optischen Weglänge, d. h. Δδ = Δ d, in der Zeit oder im Feld des Interferenzbildes zu messen. Dazu sind die Zeitintervalle zwischen den Messungen und die Abstände zwischen den Meßpunkten so bemessen, daß sich die zu messenden Phasen der Signale voneinander um einen Betrag unterscheiden, der geringer als 2 π ist, und es wird eine Vorwärts- und Rückwärtszählung der Zyklen je nach dem Änderungsvorzeichen der Phase vorgenommen.

Zur Bestimmung der ganzen Zahl F von Zyklen der Signalphase wird vorgeschlagen, zusätzliche Messungen des Bruchteils f _λ der Signalphase bei verschiedenen Wellenlängen λ des kohärenten Lichtes vorzunehmen. Die Anzahl p zusätzlicher Messungen und die Werte der zusätzlichen Wellenlängen λ werden durch den Meßbereich w _max der optischen Länge und durch den Meßfehler für den Bruchteil f des Zyklus der Signalphase bestimmt.

Das Verfahren zur Messung der gesamten optischen Länge einer Lichtwegstrecke besteht aus folgenden Verfahrensschritten:

• - man erzeugt ein kohärentes Lichtbündel mit bekannter Wellenlänge λ _o ; man mißt den Bruchteil f _o des Phasenwertes;
• - man erzeugt gleichzeitig oder nacheinander p Bündel kohärenten Lichtes mit Wellenlängen λ₁, λ₂, g₃ . . . , λ _j . . . , λ _p , welche der Bedingung genügen, wobei P = int [1 + ln ( δ _max /2 π )/ln (1/ ) ] (int[a] ist der ganzzahlige Teil einer Zahl a) auf den Meßbereich δ _max der optischen Länge zurückzuführen ist; geringer als 1 ist und eine Größe darstellt, die vom Meßfehler für den Bruchteil f des Zyklus beeinflußt wird;
• - man mißt für jede Wellenlänge λ _j einen zugehörigen Wert f _j des Bruchteils des Phasenzyklus;
• - man ermittelt Δ f _j aus der Formel:
• - man ermittelt den Wert F _j nach folgender Formel:
• - man bestimmt die ganze Zahl F = F _p+1 der Phasenzyklen nach der Formel (11), worin Δ f _p+1 = f _o ist;
• - man ermittelt den gesuchten Wert δ der optischen Länge der vorgegebenen Strecke aus der Beziehung (7) δ = 2 π d (f _o ) + π E _p+1.

Ein Laserinterferometer zur Durchführung des Verfahrens umfaßt (Fig. 4):

• - einen Laser 4, der ein Bündel S kohärenten Lichtes mit bekannter Wellenlänge λ₀ emittiert;
• - eine in Richtung des kohärenten Lichtbündels hinter dem Laser 4 angeordnete Vorrichtung 5 zur Erzeugung zweier kollinearer Lichtkomponenten I und II mit unabhängigen Polarisationen α und β;
• - eine in Richtung des kohärenten Lichtbündels S hinter dem Laser 4 angeordnete und mit der Vorrichtung 5 verbundene Vorrichtung 6 zur Verschiebung der Lichtfrequenz einer der genannten Komponenten gegen die Lichtfrequenz der anderen Komponente um einen Betrag Ω;
• - einen Steuergenerator 7 elektrischer Rundfunkfrequenzsignale, der an die Vorrichtung 6 zur Verschiebung der Lichtfrequenz angeschlossen ist;
• - zwei reflektierende Elemente 1 und 2, die in Richtung des Lichtbündels hintereinander und im Abstand der vorgegebenen Lichtwegstrecke einander gegenüber angeordnet sind und zur Erzeugung einer Reihe interferierender Bündel durch mehrfache Reflexion des Lichtes zwischen diesen Elementen dienen;
• - eine doppelbrechende Platte 3, die zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 angebracht und zur gegenseitigen Umwandlung der Polarisationen α und β der genannten Lichtkomponenten I und II bestimmt ist;
• - ein Photoregistriergerät 8, das einen quadratischen photoelektrischen Wandler 9, z. B. ein Photoelement oder einen Photovervielfacher, und eine Einheit 10 zur Messung der Phase des Rundfunkfrequenzsignals enthält, die an den Ausgang des photoelektrischen Wandlers 9 angeschlossen ist;
• - ein vor dem photoelektrischen Registriergerät 8 angebrachtes Polarisationselement 11 zur Abtrennung eines Teils des interferierten Lichtes mit einer der Polarisationen α und β;
• - eine an den Ausgang der Phasenmeßeinheit 10 angeschlossene Rechenvorrichtung 12.

Das Interferometer arbeitet wie folgt: Ein Bündel S kohärenten Lichtes kommt vom Laser 4 zur Vorrichtung 5, die im Bündel S zwei Komponenten I und II mit unterschiedlichen unabhängigen Polarisationen α und β - linearen zueinander senkrechten oder zirkularen Polarisationen - erzeugt, die entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors eines elektrischen Feldes aufweisen. Durch die Vorrichtung 6 wird die Lichtfrequenz einer der Komponenten, z. B. der Komponente II, um einen Betrag Ω verschoben, der im Rundfunkfrequenzbereich liegt. Die Vorrichtung 5 teilt die Komponenten I und II im Raum in getrennte Bündel auf, nach der Verschiebung der Lichtfrequenz aber werden die Bündel sowohl über den Querschnitt als auch in der Ausbreitungsrichtung wieder vereinigt. Es ist wichtig, daß hinter den Vorrichtungen 5 und 6 in Bündel S′ mit zwei kollinearen Komponenten I und II formiert wird, die unabhängige Polarisationen α und β und unterschiedliche Frequenzen ω und ω + Ω besitzen. Das genannte Bündel S′ erfährt eine Mehrstrahlinterferenz bei mehrfachen Reflexionen an den Elementen 1 und 2, so daß im durchgelassenen und reflektierten interferierten Licht jeder Polarisation Schwebungen der Intensität mit der Frequenz Ω und einer Phase ϕ entstehen, die mit der gesuchten Größe δ durch die Gleichung (2) zusammenhängen.

Der photoelektrische Wandler 9 wandelt Intensitätsschwebungen in ein elektrisches Rundfunkfrequenzsignal mit der Frequenz Ω und Phase ϕ um, während die Einheit 10 die Phase dieses Signals mißt. Die Rechenvorrichtung 12 bestimmt die Lösung der Gleichung (2), die die gesuchte optische Länge δ der vorgegebenen Strecke des Lichtwegs zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 ist.

Die Vorrichtung 5 kann derart ausgeführt werden, daß die Lichtkomponenten I und II mit zirkularen, entgegengesetzt gerichteten Polarisationen α° und β° ausgesondert werden, wozu beispielsweise als Vorrichtungen 4, 5 und 6 ein Zweifrequenzlaser verwendet werden kann, der den Zeeman-Effekt zur Aussonderung der Lichtkomponenten I und II und zur Verschiebung der Lichtfrequenz einer der ausgesonderten Komponenten ausnutzt. In diesem Fall weisen im durch die reflektierenden Elemente 1 und 2 hindurchgegangenen Licht die Komponenten I und II der interferierenden Bündel lineare, zueinander senkrechte Polarisationen α′ und b′ auf. Durch das Polarisationselement 11 wird das Bündel des interferierten Lichtes in zwei Bündel mit linearen Polarisationen α′ und β′ zerlegt.

Ist die Vorrichtung 5 so aufgebaut, daß sie Lichtkomponenten I und II mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen α′ und β′ erzeugt, z. B. in Form eines Zweistrahl-Polarisationsinterferometers, wie es in der eingangs erwähnten Arbeit von N. A. Massie beschrieben ist, so besitzen die Komponenten der interferierenden Bündel des durch die reflektierenden Elemente 1 und 2 hindurchgegangenen Lichtes zirkulare Polarisationen α° und β°. Bei dieser Ausführungsform des Laserinterferometers muß vor dem Polarisationselement 11 eine λ/4-Platte 13 (Fig. 5) angebracht sein, durch die die zirkularen Polarisationen in zueinander senkrechte lineare Polarisationen umgewandelt werden.

Aus dem Gesagten folgt, daß bei hohen Durchlässigkeitskoeffizienten t £ und τ₂ der reflektierenden Elemente 1 und 2 die Intensitätsschwebungen des interferierten Lichtes eine geringe Modulation Q = B/A haben, was zu einem kleinen Verhältnis des elektrischen Rundfunkfrequenzsignals zum Schrotrauschen und als Folge davon zu einem großen Meßfehler in der Phase ϕ führt. Bei kleinen Durchlässigkeitskoeffizienten τ₁ und τ₂ ist eine starke Nichtlinearität der Abhängigkeit (2) der Phase ϕ des elektrischen Signals von der gesuchten optischen Länge δ der Strecke feststellbar.

Zur Registrierung des Interferenzbildes im reflektierten Licht ist zwischen der Vorrichtung 6 zur Verschiebung der Lichtfrequenz und dem reflektierenden Element 1 ein Lichtteiler 14 zur Abtrennung der reflektierten interferierenden Lichtbündel angebracht, während das Polarisationselement 11 und das Photoregistriergerät 8 auf der optischen Achse des durch den Lichtteiler 14 abgetrennten interferierenden Bündels angeordnet sind. Sind die Polarisationen der Komponenten des Ausgangsbündels S′ linear, dann sind die Polarisationen der Komponenten der reflektierten Bündel ebenfalls linear. Dabei hat das Interferometer das in der Fig. 6 gezeigte Schema.

Wenn die Polarisationen der Komponenten des Ausgangsbündels S′ zirkular sind, weisen die Komponenten der reflektierten Bündel ebenfalls zirkulare Polarisationen auf. Hierbei muß vor dem Polarisationselement 11 eine λ/4-Platte 13 (Fig. 5) angeordnet sein.

Das Polarisationselement 11 stellt bei einer der Ausführungsformen einen Polarisator dar, durch den das interferierte Licht mit einer der unabhängigen linearen Polarisationen α′ und β′ zum Photoregistriergerät durchgelassen und Licht mit der anderen dieser Polarisationen (Fig. 4 bis 6) unterdrückt wird.

Das Polarisationselement kann auch einen Polarisationslichtteiler 11′, z. B. ein Glansches Prisma, Wollaston-Prisma u. a. darstellen, der das Bündel des interferierten Lichtes in zwei Bündel mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen α′ und β′ aufteilt. In diesem Fall ist das Photoregistriergerät 8 in der Form von zwei photoelektrischen Wandlern 9 ausgeführt, von denen der erste auf der optischen Achse des einen der beiden aufgeteilten Bündel und der zweite auf der optischen Achse des anderen Bündels (Fig. 7) angeordnet ist. Aus den Beziehungen (1) und (1′) geht hervor, daß die Rundfunkfrequenzsignale, die durch photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes in den erwähnten aufgeteilten Bündeln erhalten werden, einander ähnlich sind, die Phasen ϕ aber entgegengesetzte Vorzeichen haben. Die beiden photoelektrischen Wandler 9 sind an eine Einheit 10 zur Phasenmessung angeschlossen, wobei der eine Wandler mit dem Meßeingang dieser Einheit und der andere mit deren Bezugseingang in Verbindung steht. In diesem Fall übersteigt das Meßergebnis den Phasenwert ϕ in jedem getrennten Signal um das Doppelte. Bei einer solchen Ausführung des Polarisationselementes und des photoelektrischen Registriergeräts zeigt das Laserinterferometer somit eine zweifache Empfindlichkeit.

Eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Interferometers kann durch Ausnutzung der Nichtlinearität der Abhängigkeit (2) erreicht werden. Ein solches Interferometer (dessen Schema in Fig. 8 gezeigt ist) enthält:

• - eine Vorrichtung 15 zur Änderung der optischen Länge w der vorgegebenen Lichtwegstrecke, die mit einem Meßwertgeber 16 versehen ist und den Betrag dieser Änderung zu registrieren gestattet;
• - eine an die Phasenmeßeinheit 10 angeschlossene Einheit 17 zur Vorgabe von Phasenwerten ϕ _*, die bekannten Werten δ _* der optischen Länge der Strecke entsprechen;
• - eine Einheit 18 zum Vergleich der gemessenen mit der vorgegebenen Phase, deren Eingänge jeweils an die Einheit 10 und Einheit 17 angeschlossen sind. Die Rechenvorrichtung 12 ist mit dem Geber 16 und der Einheit 17 verbunden.

Das Laserinterferometer nach dieser Ausführungsform arbeitet wie folgt: In der Ausgangslage befindet sich die Vorrichtung 15 im neutralen Zustand, bei dem die Strecke die gesuchte optische Länge aufweist. Die Einheit 10 mißt die Phase ϕ eines elektrischen Signals, die der optischen Länge δ der vorgegebenen Strecke entspricht. Der Phasenwert ϕ gelangt an die Einheit 17, durch die ein dem ϕ nächstliegender Phasenwert ϕ _* = d _m vorgegeben wird, dem gemäß der Beziehung (4) der bekannte Wert δ _* = δ _m der optischen Länge der Strecke zugeordnet wird. Der gemessene Phasenwert ϕ und der vorgegebene Phasenwert ϕ _* treffen am Eingang der Phasenvergleichseinheit 18 ein. In dieser werden die Werte ϕ und ϕ _* miteinander verglichen und ein Abweichungssignal u geliefert, das proportional der Differenz der zu vergleichenden Phasen, d. h. u ∼ ϕ - d _*, ist. Unter der Einwirkung des Abweichungssignals u ändert die Vorrichtung die optische Länge der Strecke. Gleichzeitig damit wird der Phasenwert ϕ des Rundfunkfrequenzsignals am Ausgang der Einheit 10 geändert, so daß das Abweichungssignal u auch eine Änderung erfährt. Die Änderung der optischen Länge der Strecke geht so lange vor sich, bis der Phasenwert ϕ am Ausgang der Einheit 10 den vorgegebenen Phasenwert ϕ _* erreicht und das Abweichungssignal verschwindet. Auf das von der Einheit 18 gelieferte Signal u = 0 führt die Rechenvorrichtung 12 die Subtraktion des vom Geber 16 erfaßten Meßwertes Δδ der optischen Länge der Strecke vom bekannten Wert δ _* aus, der dem vorgegebenen Phasenwert ϕ _* entspricht.

Die Vorrichtung 15 zur Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke kann in der Form einer hermetisch abgeschlossenen Zelle 15′ bekannter Länge, die zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 angebracht und mit einem bekannten Gas gefüllt ist, und eines Kompressors 15′′ zur Änderung des Drucks P des erwähnten Gases in der Zelle bei bekannter Temperatur ausgebildet sein. Der Geber 16 für die Änderung der optischen Weglänge kann einen Gasdruckgeber 16′ (Fig. 9) darstellen.

Dieselbe Vorrichtung 15 kann in Form einer aus bekanntem Werkstoff bestehenden Zelle 15 ^III bekannter Länge und eines Heizelementes 15 ^IV ausgebildet sein, die zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 Platz finden. Der Geber 16 kann hierbei einen Geber 16′′ für die Temperatur T (Fig. 10) darstellen.

Die Einheiten 17 und 18 können als selbständige digitale oder analoge elektronische Einrichtungen ausgeführt werden, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Jedoch kann deren Funktionen auch unmittelbar die Rechenvorrichtung 12 ausüben. Das Schema eines solchen Interferometers ist in der Fig. 11 gezeigt. Das beschriebene Interferometer kann zur Konstanthaltung der vorgegebenen optischen Länge der Lichtwegstrecke zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 eingesetzt werden.

Nimmt man die Messungen der optischen Länge der vorgegebenen Strecke mittels eines Interferometers mit nichtlinearer Abhängigkeit (2) vor, so erhält man für verschiedene gemessene Werte von δ eine unterschiedliche Meßgenauigkeit. Um die lineare Abhängigkeit (5) sicherzustellen, enthält das Laserinterferometer einen Polarisator 19, der zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 hinter der doppelbrechenden Platte 3 (Fig. 12) angeordnet ist. Zur erfolgreichen Arbeit des Interferometers nach dieser Ausführungsform muß die Vorrichtung 5 bei der Erzeugung des Ausgangslichtbündels zirkulare Polarisationen aussondern, die entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors des elektrischen Feldes aufweisen. Das erste interferierende Bündel wird bei der Reflexion von dem reflektierenden Element 1 formiert. Beim Durchlauf des Lichtes innerhalb der vorgegebenen Strecke in Richtung vom reflektierenden Element 1 zum Element 2 werden die zirkularen Polarisationen der Lichtkomponenten des Ausgangsbündels in lineare zueinander senkrechte Polarisationen umgewandelt und eine der Lichtkomponenten wird durch den Polarisator 19 unterdrückt. Die andere Lichtkomponente kehrt zum Element 1 zurück, nachdem ihre lineare Polarisation in der Platte 3 eine Umwandlung erfahren hat. Ein Teil dieser Lichtkomponente durchsetzt das Element 1 und bildet ein zweites interferierendes Bündel. Der übrige Teil des Lichtes der zweiten Komponente wird beim zweiten Durchlauf vom Element 1 zum Element 2 hin unterdrückt. Das reflektierte erste und zweite Bündel werden gemischt und bilden eine Zweistrahlinterferenz. Die Abhängigkeit der Phase ϕ der Intensitätsschwebungen des interferierten Lichtes von der optischen Länge δ₅ der Strecke des Lichtweges ist durch die Beziehung (5) gegeben.

Die reflektierenden Elemente 1 und 2, die zur Vorgabe der Lichtwegstrecke und zur Erzeugung interferierender Bündel dienen, können im einfachsten Fall (siehe Fig. 4, 6, 8) in einem vorgegebenen Abstand auf der optischen Achse OZ des Ausgangslichtbündels S′ einander gegenüber angeordnet sein. Die interferierenden Bündel werden bei mehrfacher Reflexion des Lichtes innerhalb der Strecke zwischen den Elementen 1 und 2 gebildet. Die beste Charakteristik des Interferometers wird in diesem Fall dann erreicht, wenn die doppelbrechende Platte eine λ/4-Platte darstellt. Insbesondere können die reflektierenden Elemente 1 und 2 teilweise reflektierende Spiegelflächen darstellen, die Planflächen haben oder eine kompliziertere Form besitzen.

Mindestens eines der reflektierenden Elemente 1 oder 2 können ein Beugungsgitter 1′ bzw. 2′ darstellen, das derart angebracht ist, daß die Achse des Lichtbündels einer der Beugungsanordnungen des Gitters mit der Achse zusammenfällt, auf der die reflektierenden Elemente angeordnet sind. Das Ausgangslichtbündel S′ kann in die Strecke zwischen den Beugungsgittern 1′ und 2′ durch eines der Gitter 1′ oder 2′ so eingeführt werden, wie es bei den Spiegelflächen der Fall ist (Fig. 4, 6), oder unter einem Beugungswinkel gegen das Beugungsgitter 1′ (Fig. 13a). Das Photoregistriergerät 8 kann entweder auf der Achse des Bündels, wie es bei den Spiegelflächen (Fig. 4 und 6) der Fall ist, oder auf der Achse eines der vom Beugungsgitter 2′ gebeugten Bündel (Fig. 13b) angeordnet sein. Die Wirkungsweise des Interferometers ist in diesem Fall die gleiche wie oben beschrieben.

Die reflektierenden Elemente 1, 2 und 2′′, deren Anzahl drei oder darüber beträgt, können in den Ecken einer geschlossenen gebrochenen Strecke angeordnet werden, die eine vorgegebene Lichtwegstrecke (Fig. 14) darstellt. Das Ausgangslichtbündel durchsetzt dabei das teilweise reflektierende Element 1 und durchläuft weiter mehrfach die geschlossene Strecke in gleicher Richtung, indem es von den Elementen 2, 2′′ und 1 der Reihe nach reflektiert wird. Bei jedem Durchlauf erleidet das Licht eine zusätzliche Phasenverschiebung, die gleich der optischen Länge δ der geschlossenen Strecke ist, und eine Umwandlung der Polarisation aufgrund der doppelbrechenden Platte 3. Bei jedem Durchlauf tritt ein Lichtteil, der durch das Element 1 abgetrennt, aus der geschlossenen Strecke aus und bildet ein interferierendes Bündel. Das Photoregistriergerät 8 ist auf der Achse der aus der geschlossenen Strecke austretenden interferierenden Bündel angeordnet. Die beste Charakteristik des Interferometers wird in diesem Fall dann erreicht, wenn die doppelbrechende Platte eine λ/2-Platte ist.

Das Beugungsgitter 1′ oder 2′, welches als reflektierendes Element 1 bzw. 2 verwendet wird, ist bei einer solchen Anordnung so aufgestellt, daß das in einer der Beugungsanordnungen, z. B. in der ersten, reflektierte Lichtbündel auf das - in Richtung des Lichtbündels innerhalb der Strecke gesehen - nächste, dritte reflektierende Element 2′′ (Fig. 15) auftrifft.

Es sei nun die Wirkungsweise des Interferometers beschrieben, dessen Schema in der Fig. 15 abgebildet ist. Als erstes reflektierendes Element 1 wird ein teilweise durchlässiges Beugungsgitter 1′ benutzt. Gegenüber dem Gitter 1′ ist das zweite reflektierende Element in der Form eines Reflexionsgitters 2′ angeordnet. Als drittes reflektierendes Element 2′′ kann eine Spiegelfläche dienen.

Das Ausgangslichtbündel S′ durchsetzt das durchlässige Gitter 1′ und wird daran in eine Reihe gebeugter Bündel zerlegt. Das Bündel nullter Ordnung läuft zum Beugungsgitter 2′, an dem es wieder in eine Reihe von Beugungsordnungen zerlegt wird. Das Bündel der 1. Beugungsordnung gelangt vom Gitter 2′ auf das dritte reflektierende Element 2′′, wird von diesem zurückgeworfen und fällt auf das Beugungsgitter 1′ unter dessen Winkel der -1. Ordnung. Beim Zusammenwirken mit dem Gitter 1′ wird das Bündel wieder in eine Reihe gebeugter Bündel aufgeteilt, deren einer Teil aus der vorgegebenen Strecke durch das Gitter 1′ im Durchlicht austritt und deren anderer Teil reflektiert wird. Das vom Gitter 1′ reflektierte Bündel der -1. Ordnung durchläuft den Weg des ursprünglichen Bündels der 0. Ordnung mehrmals.

Die doppelbrechende Platte 3 stellt eine λ/2-Platte dar, wenn durch sie nur Bündel gleicher Beugungsordnung hindurchgehen, oder eine Platte, die eine Differenz der Phasenverschiebungen der Lichtwellen in zwei nutzbaren Beugungsordnungen, z. B. der nullten und der -1. Ordnung, bewirkt, welche dann gleich λ/4 ist, wenn die Platte 3 in der Nähe eines der Beugungsgitter angeordnet ist.

In jedem der gebeugten Bündel des durch das Gitter 1′ austretenden Lichtes findet eine Mehrstrahlinterferenz statt, deshalb kann das Photoregistriergerät 8 für ein Mehrstrahlinterferenzbild im Weg eines beliebigen oder mehrerer gebeugter Bündel angeordnet sein.

Ein solcher Aufbau der vorgegebenen Strecke kann bei einer Messung der optischen Länge der Lichtwegstrecke auf einer krummlinigen Strecke oder wenn Licht in nur einer Richtung hindurchzulassen ist, benutzt werden.

Als genannte Beugungsgitter 1′ und 2′ können z. B. Hologramme verwendet werden.

In den meisten Aufgaben, welche mit Hilfe der Interferometrie gelöst werden, besteht die Notwendigkeit, die Form und Deformation der Wellenfront des durch die vorgegebene Strecke hindurchgegangenen Lichtes zu messen, d. h. es müssen optische Längen der vorgegebenen Strecke in der Richtung der Strahlen gemessen werden, die durch die gegebenen Punkte ρ = (x, y) des Querschnittes der interferierenden Bündel verlaufen.

Eine solche Aufgabe wird mit dem Laserinterferometer gelöst, wozu es ein vor den reflektierenden Elementen (Fig. 16) angeordnetes optisches System 20 zur Verbreiterung des Ausgangslichtbündels S′ enthält.

In diesem Fall muß im Photoregistriergerät 8 die Möglichkeit vorgesehen sein, Intensitäten des interferierten Lichtes in verschiedenen Punkten des Querschnittes der interferierenden Bündel umzuwandeln. Dazu ist das Photoregistriergerät 9 mit einer Einrichtung 21 zur Abtastung eines Interferenzbildes (Fig. 16) versehen. Die Abtasteinrichtung 21 kann eine mechanische Einheit zur Verschiebung des photoelektrischen Wandlers in Punkte des Interferenzbildes, ein elektrooptischer oder akusto-optischer Deflektor, ein Sonnenbildzerleger usw. sein.

Man beachte, daß als Vergleichssignal bei der Messung der Phase des elektrischen Signals ein Signal vom Steuergenerator 7 dient. Dabei können die Vorrichtung 5 zur Aussonderung von Lichtkomponenten des Ausgangsbündels S′ und die Vorrichtung 6 zur Verschiebung der Lichtfrequenz einer der Komponenten einen Fehler in das Meßergebnis der Phase mit sich bringen. Die systematische Komponente dieses Fehlers wird während einer Anfangseichung beseitigt, jedoch führen zufällige Phasenstörungen während der Abtastung eines Interferenzbildes zu Verzerrungen der zu messenden Verteilung der optischen Länge der Strecke.

Um diese Verzerrungen zu beseitigen, enthält das Laserinterferometer ein optisches lichtteilendes Element 22, das vor dem Photoregistriergerät 8 angeordnet und zur Abtrennung eines Teils interferierten Lichtes zu einem zusätzlichen Photoregistriergerät 23 bestimmt ist. Das lichtteilende Element 22 enthält einen zusätzlichen Wandler 24 und eine zusätzliche Einheit 24 zur Messung der Phase (Fig. 17). Das elektrische Signal des zusätzlichen photoelektrischen Wandlers 24 kann als Vergleichssignal zur Messung der Phase benutzt werden, die durch die Einheit 10 des Haupt-Photoregistriergeräts vorgenommen wird. Die Phasenverzerrungen können auch durch Subtraktion der Meßergebnisse der Phase im zusätzlichen Photoregistriergerät von den Meßergebnissen der Phase im Haupt-Photoregistriergerät mit Hilfe der Recheneinrichtung 12 ausgeschaltet werden, wenn bei der Messung der genannten Phasen als Vergleichssignal ein und dasselbe Signal für die Einheiten 10 und 25, z. B. das Signal vom Steuergenerator 7 in Frage kommt.

Sowohl der photoelektrische Wandler 9 als auch der zusätzliche photoelektrische Wandler 24 können einen einzelnen quadratischen Photodetektor 9′ bzw. 24′, z. B. einen Photovervielfacher oder eine Photodiode, darstellen, der die Umwandlung des interferierten Lichtes in eine Reihe von Punkten des Interferenzbildes je nach Abtastung durchführt.

Der photoelektrische Hauptwandler 9 und der photoelektrische zusätzliche Wandler 24 können auch in Form einer Matrix 26 bzw. 26′ ausgebildet werden, die aus mehreren Photodetektoren 9′ bzw. 24′ bestehen, wobei die Ausgänge aller Photodetektoren an die Phasenmeßeinheit 10 bzw. 25 über einen Umschalter 27 elektrischer Signale angeschlossen werden. An der Abtastung des Interferenzbildes beteiligt sich außer den oben beschriebenen Abtastmitteln der Umschalter 27 durch Umschalten der Ausgangssignale der einzelnen Photodetektoren 9′ (Fig. 18).

Ein solches Interferometer ist zur Messung der optischen Länge einer Strecke in statischem Zustand oder bei stationären Änderungen derselben geeignet.

Um die optische Länge der Strecke bei nichtstationären Änderungen messen zu können, ist der Ausgang jedes der einzelnen Photodetektoren 9′ der Matrix 26 an eine eigene Haupt-Phasenmeßeinheit 10′ (Fig. 20) angeschlossen, und der Ausgang jedes der einzelnen Photodetektoren 24′ der zusätzlichen Matrix 26′ kann an eine zusätzliche eigene Phasenmeßeinheit angeschlossen werden. Ein Mehrkanal-Phasenmeßsystem 28 mißt gleichzeitig Signalphasen, die einer Reihe von Punkten des Interferenzbildes entsprechen. Die Registrierung der Phasenwerte kann gleichzeitig auf ein äußeres Synchronisiersignal erfolgen, das von einem Zeitgeber, der Rechenvorrichtung 12 oder einer anderen Quelle geliefert wird. Diese Phasenwerte werden in die Recheneinrichtung 12 eingegeben und geben das Bild einer Momentanverteilung der optischen Länge der Strecke im Querschnitt der interferierenden Bündel wieder.

Die Messungen der Phase durch die Einheiten 10, 10′, 25 und 25′ können bezüglich des Signals des Generators 7 erfolgen. Dazu müssen die Vergleichssignaleingänge der genannten Einheiten mit dem Ausgang des genannten Generators 7 verbunden sein. Außerdem ist es zweckmäßig, die Phasen der Signale einiger Photodetektoren 9′ des Haupt-Photoregistriergeräts 8 in bezug auf ein oder mehrere Signale der Photodetektoren 24′ der Matrix 26′ des zusätzlichen Photoregistriergeräts 23 zu messen. Zu diesem Zweck muß mindestens einer der einzelnen Photodetektoren 24′ des zusätzlichen Photoregistriergeräts 23 an wenigstens eine Phasenmeßeinheit 10′ des Haupt-Photoregistriergeräts 8 angeschlossen sein. Die beste Ausführungsvariante eines solchen Interferometers ist in der Fig. 20 dargestellt.

Wenn das Interferometer mindestens je eine Vorrichtung 15 zur Änderung der optischen Länge der Strecke, einen Geber 16 für die Änderung der optischen Weglänge, eine Einheit 17 zur Vorgabe der Phase und eine Phasenvergleichseinheit 18 enthält, welche nach dem oben beschriebenen Schema (siehe Fig. 8) mit mindestens einem Photodetektor verbunden sind, kann das Interferenzbild in zumindest dem Punkt konstant gehalten werden, der einer betreffenden Lage des genannten Photodetektors entspricht.

Bei der Messung von Verteilungen der optischen Länge der Strecke im Querschnitt der interferierenden Bündel großen Durchmessers mit einem hohen Auflösungsvermögen über das Feld des Interferenzbildes hinweg fällt auf den photoelektrischen Wandler 9 wenig Licht, deshalb ergibt sich an dessen Ausgang ein geringes Verhältnis des Nutzsignals zum Schrotrauschen. Dies führt zu einem hohen Fehler bei der Messung der Phase ϕ. Außerdem weist das Strahlenbündel das Lasers 4 im Querschnitt ein Intensitätsprofil auf, das der Gauß-Kurve entspricht, weshalb sich die mittlere Intensität des Lichtes im Querschnitt der interferierenden Bündel von Punkt zu Punkt stark ändert. Dies hat einen großen Unterschied in der Genauigkeit der Messung der Phase in der Mitte und im Randgebiet des Interferenzbildes zur Folge.

Um die Meßgenauigkeit der optischen Länge der Strecke zu erhöhen und gleich genaue Messungen über das gesamte Feld des Interferenzbildes zu sichern, ist im Laserinterferometer eine Vorrichtung 29 zur Parallelverschiebung des Ausgangslichtbündels S′ gegen sich selbst in zwei zueinander senkrechten Richtungen X und Y vorgesehen, welche zur Achse OZ des Bündels (Fig. 21) senkrecht sind. Diese Vorrichtung ist zwischen den Vorrichtungen 5 und 6 zur Formierung des Ausgangslichtbündels einerseits und den reflektierenden Elementen 1 und 2 andererseits angeordnet. Bei der Parallelverschiebung des kollimierten Bündels S′ bleibt die Wellenfront immer parallel zu einer Ebene, die ähnlich der Wellenfront eines breiten kollimierten Bündels ist. Die Verteilung der Phasen ϕ ( ρ ) der Intensitätsschwebungen bleibt ebenso gleich wie bei einem unbeweglichen breiten kollimierten Bündel. Jedoch ist die Lichtstromdichte in den Punkten des Interferenzbildes, die durch das schmale Lichtbündel abgetastet werden, um einige zehn oder sogar hundert Male höher, so daß das Signal/Rausch- Verhältnis am Ausgang des photoelektrischen Wandlers erhöht wird.

Das Licht eines engen Abtastbündels kann z. B. mittels eines Sammelobjektivs 30 auf den photoelektrischen Wandler gerichtet werden (Fig. 22).

Das enge Abtastbündel interferierten Lichtes kann unmittelbar auf den photoelektrischen Wandler 9 auftreffen, wenn die genannte Vorrichtung 29 zur Parallelverschiebung des Lichtbündels in Hinsicht auf ihre Bewegung mit der Abtasteinrichtung gekoppelt ist (siehe Fig. 21).

Stellt der photoelektrische Wandler 9 des Photoregistriergeräts eine Matrix 26 aus mehreren einzelnen Photodetektoren 9′ dar, die an die Phasenmeßeinheit über den Umschalter 27 angeschlossen sind, so ist es zweckmäßig, die Vorrichtung 29 zur Parallelverschiebung des Lichtbündels mit dem Umschalter 27 zu verbinden, um eine Anpassung sicherzustellen (Fig. 23).

Bei der Einstellung des Laserinterferometers und der Messung kann es notwendig sein, ein Interferenzbild visuell zu beobachten oder es zu registrieren. Jedoch erfolgen die Schwebungen der Lichtintensität mit einer hohen Frequenz, deshalb ist kein Interferenzbild beobachtbar. Um das Interferenzbild registrieren zu können, enthält das Interferometer einen Lichtintensitätsmodulator 31, der vor dem zusätzlichen Photoregistriergerät angebracht ist, und einen Generator 32 elektrischer Impulse, der an den Modulator 31 angeschlossen ist, wobei das zusätzliche Interferenzbild-Photoregistriergerät ein Bildregistrierer 23′ ist.

Um ein Interferenzbild visuell im statischen Zustand beobachten zu können, ist der Generator 32 mit dem Steuergenerator 7 verbunden und mit diesem in der Impulsfolgefrequenz (siehe Fig. 24) synchronisiert. Das Interferenzbild, dessen Streifen ununterbrochen laufen, werden erst in den Zeitpunkten auf das Photoregistriergerät projiziert, in denen die Streifen nach einer Verlagerung um einen Schritt wieder ein und dieselbe Stellung einnehmen. Durch eine solche Abtastung wird ein feststehendes Bild auf das Photoregistriergerät projiziert, das visuell beobachtet, photographiert usw. werden kann. Um eine größere Stabilität des zu beobachtenden Interferenzbildes zu gewährleisten, kann der Generator 32 elektrischer Impulse mit einem der Photodetektoren 9′ oder 24′ verbunden sein.

Die Phasenmeßeinheit 10 ermöglicht die Messung der Phase eines elektrischen Signals innerhalb einer Periode, d. h. des Bruchteils f des gesuchten Phasenwertes ϕ. Alle beschriebenen Laserinterferometer ermöglichen es, die optische Länge einer vorgegebenen Lichtwegstrecke und Änderungen der optischen Länge in weiten Grenzen zu messen, wenn man den Änderungen der Phase ununterbrochen folgt und das Vorwärts- und Rückwärtszählen von Phasenzyklen je nach dem Änderungsvorzeichen der Phase vornimmt.

Um die ganze Zahl D = int der Wellenlängen innerhalb der vorgegebenen Strecke zu bestimmen, die zusammen mit dem gemessenen Bruchteil d den Gesamtwert der optischen Länge der vorgegebenen Strecke in einem weiten Bereich von δ δ _max ergibt, enthält das Laserinterferometer einen Laser 4 mit durchstimmbarer Wellenlänge λ des emittierten Lichtes. Der Durchstimmbereich muß die Erzeugung eines Bündels kohärenten Lichtes mit Wellenlängen von λ _o bis λ _p erlauben, während der relative Abstimmungsfehler σ _λ /λ für eine Wellenlänge λ _j den Wert

nicht übersteigen darf. Die gewünschten Wellenlängen λ _j werden in diesem Fall hintereinander eingestellt und die Bruchteile f _j der Reihe nach gemessen.

Um gleichzeitige Messungen von f _j auf sämtlichen Wellenlängen λ _j durchzuführen, muß der Laser 4 Licht aller genannten Wellenlängen λ _o . . . λ _p gleichzeitig ausstrahlen. Darüber hinaus enthält ein solcher Laser eine optische Einheit 33 zur Teilung des Bündels interferierten Lichtes in Teilbündel je nach den Wellenlängen λ _j , und auf der optischen Achse jedes der Teilbündel ist das Haupt- Photoregistriergerät angeordnet, das den photoelektrischen Wandler 9 und die Phasenmeßeinheit 10, die an die Rechenvorrichtung 12 (Fig. 25) angeschlossen ist, enthält. Die Meßergebnisse für die Bruchteile f _j werden in die Rechenvorrichtung eingegeben, in der die Berechnung der ganzen Zahl D von Lichtwellenlängen und die Summierung der Zahl D mit dem Bruchteil d erfolgt, der ebenfalls von der Rechenvorrichtung 12 aus dem Meßergebnis für den Bruchteil f _o des Phasenzyklus, der der Wellenlänge g _o entspricht, ermittelt wird.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der optischen Länge einer durch wenigstens zwei hintereinander angeordnete reflektierende Elemente vorgegebenen Lichtwegstrecke, bei dem

• a) ein kohärentes Lichtbündel erzeugt wird,
• b) aus diesem Lichtbündel nacheinander mehr als zwei Bündel formiert werden, wobei jedes nachfolgende Bündel so gebildet wird, daß ein Teil des Lichtes des vorhergehenden Bündels an einem der reflektierenden Elemente abgetrennt wird und der abgetrennte Teil des Lichtes durch die zu messende Lichtwegstrecke hindurchgesandt wird,
• c) die verschiedenen Bündel miteinander vereinigt werden und
• d) ein erhaltenes Interferenzbild registriert wird,

dadurch gekennzeichnet, daß

• e) das kohärente Lichtbündel (S) mit zwei kollinearen Komponenten (I, II), die verschiedene unabhängige Polarisationen ( α, β ) aufweisen, erzeugt wird,
• f) die Lichtfrequenz der einen dieser Komponenten bezüglich der Lichtfrequenz ( ω ) der anderen Komponente verschoben wird,
• g) innerhalb der zu messenden Lichtwegstrecke die Polarisation jedes nachfolgenden Bündels gegenüber der des vorhergehenden Bündels derart geändert wird, daß in jedem Paar der kollinearen Lichtkomponenten die Polarisation ( α ) der ersten Komponente des Lichtes in die Polarisation ( β ) der zweiten Komponente und die Polarisation ( β ) der zweiten Komponente in die Polarisation ( a ) der ersten Komponente umgewandelt wird,
• h) nach der Vereinigung der verschiedenen Bündel, deren Licht in zwei Bündel aufgeteilt wird, von denen jedes eine andere der beiden unabhängigen Polarisationen ( α, β ) aufweist,
• i) bei der Registrierung des Interferenzbildes eine photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes jeder der zwei unabhängigen Polarisationen ( α, β ) einzeln durchgeführt wird, und daß
• j) die Phasen ( ϕ ) der gewonnenen elektrischen Signale gemessen und aus diesen die optische Länge ( δ ) des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke bestimmt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenwert ( ϕ _*) eines elektrischen Signales vorgegeben wird, dem ein bekannter Wert ( δ _*) der optischen Länge der Lichtwegstrecke entspricht, daß die optische Länge der vorgegebenen Lichtwegstrecke geändert wird, und daß, wenn die zu messende Phase ( ϕ ) des gewonnenen elektrischen Signals den vorgegebenen Phasenwert ( ϕ _*) erreicht hat, der Wert ( Δδ ) dieser Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke registriert wird, wobei die optische Länge ( δ ) der vorgegebenen Lichtwegstrecke durch Subtraktion des registrierten Wertes ( Δδ ) der Änderung der optischen Länge vom bekannten Wert ( δ _*) der optischen Lichtwegstrecke ermittelt wird.

3. Laserinterferometer zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, mit

• a) einem Laser (4),
• b) wenigstens zwei in Richtung des Lichtstrahls hintereinander angeordneten reflektierenden Elementen (1, 2), die zur Vorgabe der zu messenden Strecke des Lichtweges sowie zur Formierung und Vereinigung der Lichtbündel dienen, und mit
• c) einem Photoregistriergerät (8) für das zu erhaltende Interferenzbild,

gekennzeichnet durch

• d) eine Vorrichtung (5) zur Erzeugung zweier kollinearer Lichtkomponenten mit unabhängigen Polarisationen und eine Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz der einen Komponente gegen die der anderen, wobei diese beiden Vorrichtungen (5, 6) zwischen dem Laser (4) und den reflektierenden Elementen (1, 2) angebracht sind,
• e) einen an die Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz angeschlossenen Steuergenerator (7),
• f) eine doppelbrechende, zwischen den reflektierenden Elementen (1, 2) angeordnete Platte (3), und durch
• g) ein Polarisationselement (11), das auf der optischen Achse des interferierten Lichtes vor dem Photoregistriergerät (8), das einen photoelektrischen Wandler (9) für das interferierte Licht und eine an diesen Wandler angeschlossene Einheit (10) zur Phasenmessung elektrischer Signale aufweist, angebracht ist.

4. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung der Lichtkomponenten solche mit zirkularen, entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors des elektromagnetischen Feldes aufweisende Polarisationen erzeugt.

5. Interferometer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine im Weg des interferierten Lichtes vor dem Polarisationselement (11) angeordnete λ/4-Platte (13), wobei die Vorrichtung (5) zur Erzeugung der Lichtkomponenten solche mit linearen, zueinander senkrechten Polarisationen erzeugt.

6. Interferometer nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch einen Lichtteiler (14) zur Abtrennung der von den reflektierenden Elementen (1, 2) zurückgeworfenen interferierenden Lichtbündel, der zwischen der Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz und den reflektierenden Elementen (1, 2) angeordnet ist, wobei das Polarisationselement (11) und das Photoregistriergerät (8) nach dem Lichtteiler (14) angebracht sind.

7. Interferometer nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (5) zur Erzeugung der Lichtkomponenten solche mit linearen, zueinander senkrechten Polarisationen erzeugt.

8. Interferometer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine im Weg des interferierten Lichtes vor dem Polarisationselement (11) angeordnete λ/4-Platte (13), wobei die Vorrichtung (5) zur Erzeugung der Lichtkomponenten solche mit zirkularen, entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors des elektromagnetischen Feldes aufweisende Polarisationen erzeugt.

9. Interferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationselement ein Polarisationslichtteiler (11′) zur Aufteilung des Lichtbündels in zwei Bündel mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen ist, und daß das Photoregistriergerät (8) zwei photoelektrische, an die Einheit (10) zur Phasenmessung angeschlossene Wandler (9) aufweist, die jeweils auf den optischen Achsen von einem der aufgeteilten Bündel angeordnet sind.

10. Interferometer nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine zwischen den reflektierenden Elementen (1, 2) angeordnete Vorrichtung (15) zur Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke, durch eine Einheit (17) zur Vorgabe von bekannten Werten der optischen Länge der Lichtwegstrecke entsprechenden Phasenwerten, durch eine Phasenvergleichseinheit (18), deren Eingänge an die Einheit (17) zur Vorgabe der Phasenwerte und an eine weitere Einheit zur Phasenmessung angeschlossen sind und deren Ausgang mit der Vorrichtung (15) zur Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke verbunden ist, und durch eine an einen Meßwertgeber (16) für die Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke und an die Einheit (17) zur Vorgabe der Phasenwerte angeschlossene Rechenvorrichtung (12).