DE3404963A1

DE3404963A1 - Interferometer mit integriertem laengennormal

Info

Publication number: DE3404963A1
Application number: DE19843404963
Authority: DE
Inventors: Kay Dipl.-Phys. 5100 Aachen Büsing
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1984-02-11
Filing date: 1984-02-11
Publication date: 1985-08-14
Also published as: DE3404963C2

Description

Laser-Interferometer, insbesondere zur Längenmessung
Die Erfindung betrifft ein Laser-Interferometer, das inbesondere zur Längenmessung dient.
Laser-Interferometer zur Längenmessung werden bis heute ganz allgemein mit He-Ne-Lasern betrieben. Die erforderliche Größe der Gasröhre eines derartigen Laserkopfs und die sich im Hinblick auf die Handhabung ergebenden Anforderungen verursachen beim Bau und Betrieb solcher Laser-Interferometer einen gewissen Mindestaufwand, der nicht unterschritten werden kann und unter Umständen recht unangenehm ist.
Erfindungsaufgabe ist die Schaffung eines möglichst kompakten Laser-Interferometers großer Lichtstärke, das also nur wenig Raum beansprucht.
Diese Aufgabe wird nach dem kennzeichnenden Merkmal des Anspruchs 1 dadurch gelöst, daß das Interferometer mit einer lichtstarken IR-Laserdiode betrieben wird.
Die vorgeschlagene Anordnung der ausgewählten Komponenten erlaubt und gewährleistet die Erzeugung der nötigen vier Signale (A-quad-B-Signale) auf engstem Raum, und es wird der Bau kompakter interferometrischer Taster ermöglicht.
Anspruch 2 beschreibt ein derartiges Meß-Interferometer mit vier Ausgangssignalen, die eine gleichlichtkompensierte Auswertung des Verfahrweges des Meßreflektors (TPr des M-Strahis) erlauben.
Bei der Verwendung von Halbleiterlasern ist die notwendige Stabilisierung der Frequenz bzw. der Wellenlänge schwierig. Dieses Problem ist bei He-Ne-Lasern in befriedigender Weise gelöst, während Halbleiterlaser gegenwärtig den Anforderungen bei weitem nicht genügen, da sie ihre Frequenz und sogar das gesamte Modenspektrum in Abhängigkeit von Betriebsstrom und Temperatur ändern.
Hierzu beschreibt Anspruch 3 ein Regel-Interferometer, das mit dem gleichen, das Meß-Interferometer betreibenden Licht betrieben wird. Auch hier werden Meß- und Referenzstrahl durch Prismen parallel verschoben reflektier-t. Die Weglängendifferenz dieser beiden Strahlen ist jedoch fixiert und bildet das Längennormal.
Außerdem wird zwecks Raumersparnis der Meßstrahlengang durch ein weiteres Prisma umgelenkt.
Der verwendete Strahlteiler liefert die beiden um 1800 phasenverschobenen Signale; diese würden bei änderung d-er Laserfrequenz durch Schwankungen des Betriebsstroms und/oder der Außentemperatur, aber auch des Brechungsindexes der Luft durch Temperatur-, Druck- und Feuchteeinfluß oszillieren. Die Signale werden als Regelgröße verwendet, die mittels eines Heizelements durch Temperatureinfluß oder mittels des Betriebsstroms die Wellenlänge des Lasers konstant hält Gegenüber gebräuchlichen Einrichtungen ist dabei neu und vorteilhaft, daß alle die Wellenlänge beeinflussenden Parameter, also die der Lichtquelle und des Ausbreitungsmediums, in einem einzigen Regelkreis kompensiert werden. Dieerreichbare Fehler toleranz hängt nur noch vom the.r-mischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials ab, aus dem die Befestigungsteile der optischen Komponenten bestehen.
Anspruch 4 beschreibt schließlich ein Laser-Interferometer, das zur Längenmessung dient. In kompakter Bauweise wird ein gemäß Anspruch 2 ausgebildetes Meß-Interferometer, das in einer oberen Ebene des Gerätes angeordnet ist, mit einem in einer unteren parallelen Ebene angeordneten, gemäß Anspruch 3 ausgebildeten Regel -Interferometer kombiniert; letzteres ist dabei gegenüber Anspruch 3 unwesentlich erweitert, wodurch eine Intensitätsreduktion der Signale 5 und 6 von etwa 50S eintritt.
Das eingestrahlte kohärente Licht speist das Gerät in zwei Ebenen. Die obere Ebene stellt also ein gewöhnliches Interferometer mit vier verschiedenen Signalen dar, die Vorwärts-Rückwärts-Erkennung und Gleichlichtkompensation ermöglichen. Die untere Ebene ist dann ein Referenz-Interferometer mit fester Weglängendifferenz; seine Ausgänge liefern zwei Signale mit einer Phasenverschiebung von 1800 und ermöglichen eine intensitätsunabhängige Konstantregelung der eingestrahlten Laserwellenlänge. Temperatur, Druck und Feuchtigkeit der Luft werden hierbei kompensiert, so daß die Stabilität der Wellenlänge nur noch vom Längenausdehnungs-Koeffizienten des Materials abhängt, das als Längennormal verwendet wird.
Dieses Gerät ist für den Einatz von Halbleiterlasern besonders geeignet, da es die Wellenlängen- bzw. Frequenzregelung über Betriebsatrom und Temperatur ermöglicht.
Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung mit je einem Ausführungsbeispiel erläutert. Dabei zeigt Abb. 1 ein erfindungsgemäßes Meß-Interferometer im Schnitt, Abb. 2 ein erfindungsgemäßes Regel-Interferometer, ebenfalls im Schnitt, Abb. 3 ein erfindungsgemäßes Laser-Interferometer zur Längenmessung in perspektivischer Darstellung und Abb. 4 das in der unteren Ebene B des Gerätes nach Abb.
3 angeordnete Regel-Interferometer im Schnitt.
Nach Abb. 1 enthält das Meß-Interferometer einen Strahlteiler St, in dem ein 450 polarisierter einfallender Laserstrahl E in einen Meßstrahl M und einen dazu rechtwinkligen Referenzstrahl R aufgespalten wird. Diesem Strahlteiler ist ein 900-Prisma Prl bzw.
ein Tripelprisma TPr derart nachgeschaltet, daß die -beiden Strahlen - nachdem der Meßstrahl noch eine 1 /4-Verzögerungsplatte VP1 durchlaufen hat - parallel verschoben reflektiert werden; die Strahlen werden hierauf im Strahlteiler wieder- vereint und dann in zwei um 1800 verschobene Signale aufgespalten.
Anschließend ist ein polarisierender Strahl teiler pSt so angeordnet, daß diese Signale zum einen Teil direkt und zum anderen Teil über ein 900-Prisma Pr2 geleitet werden; dabei entstehen durch Aufspaltung in je einen waagerechten und senkrechten Polarisations-Anteil vier Signale 1 und 2 bzw. 3 und 4 mit jeweils um 90Q fortschreitender Phasenverschiebung.
Nach Abb. 2 enthält das Regel-Interferometer einen Strahiteiler St, in dem ein 450 polarisierter einfallender Laserstrahl E in einen Referenzstrahl R' und einen Meßstrahl-M' aufgespalten wird.
Diesem Strahlteiler ist wieder ein 900-PrismaPrl bzw. sind zwei Prismen Pr4 und Pr3 derart nachgeschaltet, daß die beiden Strahlen hierauf im Strahl teiler wieder vereint und dann in zwei um-1800 verschobene Signale 5 und 6 aufgespalten werden.
Nach Abb. 3 enthält das Laser-Interferometer zur Längenmessung einen kleinen Strahlteiler kSt und ein daran anschlie-ßendes 90°-Umlenkprisma kPr, durch die ein einfallender Laserstrahl E auf zwei zueinander parallelen Ebenen A und 8 eingekoppelt wird. Die obere Ebene A ist dabei als Meß-Interferometer gem-äß Abb 1 und die untere Ebene B als Regel-Interferometer gemäß Abb. 2 und Abb. 4 ausgebildet; an den letzteren schließt sich noch ein 90°-Prisma Pr2 für den einen Strahl 6 sowie ein polarisierender Strahlteiler pSt für beide Strahlen 5 und 6 an. LN ist dabei das Längennormal. Diese Bauweise ist bei großer Leistung äußerst kompakt.
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Claims

Laser-Interferometer, insbesondere zur Längenmessung PATENTANSPRUCHE 1. Laser-Interferometer, insbesondere zur Längenmessung, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einer lichtstarken IR-Laserdiode betrieben wird.
2. Laser-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Meßinterferometers einem Strahlteiler (St), in dem ein 450 polarisierter einfallender Laserstrahl (E) in einen Meßstrahl (M) und einen dazu rechtwinkligen Referenzstrahl (R) aufgespalten wird, ein 90°-Prisma (Prl) bzw.

Tripelprisma (TPr) nachgeschaltet ist, in denen die beiden Strahlen parallel verschoben reflektiert werden, worauf sie - nachdem der Meßstrahl noch einet 4-Verzögerungsplatte (VP1) durchlaufen hat - im Strahlteiler wieder vereint und dann in zwei um 1800 verschobene Signale aufgespalten werden, und daß daran anschließend ein polarisierender Strahlteiler (pSt) angeordnet ist, durch den diese Signale zum einen Teil direkt und zum anderen Teil über ein 900-Prisma (Pr2) geleitet werden, wobei durch Aufspaltung in je einen waagerechten und senkrechten Polarisations-Anteil vier Signale (1 und 2 bzw. 3 und 4) mit jeweils um 900 fortschreitender Phasenverschiebung entstehen (Abb. 1).
3. Laser-Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung eines Regelinterferometers einem Strahlteiler (St), in dem ein 450 polarisierter einfallender Laserstrahl (E) in einen Meßstrahl (M') und einen dazu rechtwinkligen Referenzstrahl (R') aufgespalten wird, jeweils ein 900Prisma (Prl) bzw. 2 Prismen (Pr4 und Pr3) nachgeschaltet sind, in denen die beiden Strahlen parallel verschoben reflektiert werden, worauf sie im Strahlteiler wieder vereint und dann in zwei um 1800 phasenverschobene Signale (5 und 6) aufgespalten werden (Abb. 2).
4. Laser-Interferometer zur Längenmessung, g e k e n n z e i c h n e- t d u r c h einen kleinen Strahlteiler (kSt) und ein daran anschließendes 900-Umlenkprisma (kPr), durch die ein einfallender Laserstrahl (E) auf zwei parallelen Ebenen (A und B) eingekoppelt wird, wobei die eine, z.B. obere Ebene (A) als Meßinterferometer gemäß Anspruch 2 und die andere, also z. B. untere Ebene (B) als Regelinterferometer gemäß Anspruch 3 ausgebildet ist, an den sich jedoch noch ein 900-Prisma (Pr2) für den einen-Strahl (6) sowie ein polarisierender Strahlteiler (pSt) für beide Strahlen (5 und 6) anschließt (Abb. 3 und 4).