DE3825606A1

DE3825606A1 - Compact construction of a Michelson interferometer for the measurement of changes in length and in refractive index

Info

Publication number: DE3825606A1
Application number: DE19883825606
Authority: DE
Inventors: Dieter Dipl Phys Jestel
Original assignee: Dieter Dipl Phys Jestel
Current assignee: Dr Johannes Heidenhain GmbH
Priority date: 1988-07-28
Filing date: 1988-07-28
Publication date: 1990-04-19
Anticipated expiration: 2008-07-29
Also published as: DE3825606C2

Abstract

In comparison with previously used classical interferometers, this invention is distinguished by its miniaturised, simple, compact design, which, furthermore, reduces the calibration effort, which is considerable in a conventionally constructed Michelson interferometer, for the alignment of the measuring mirror. The light is guided in single-mode waveguides which are produced by means of structured ion exchange in glass substrates or diffusion into crystals. The beam-splitter is realised optically integrated by means of a symmetrical coupler. Beam-splitter, reference arm and reference mirror lie protected in the substrate. The interferometer is thereby insensitive to vibrations and electromagnetic interference radiation. The invention can be applied anywhere where the physical quantity to be measured industrially effects an alteration of the optical path.

Description

Die Erfindung betrifft den miniaturisierten Aufbau eines gegen Störeinflüsse unempfindlichen Michelson-Interferometers zur Messung von Längen- und Brechzahländerungen.The invention relates to the miniaturized construction of a Interference-resistant Michelson interferometer for Measurement of changes in length and refractive index.

Längenmessungen sollen einerseits hochpräzise und über große Meßwege durchführbar sein, andererseits soll der Meßkopf möglichst klein sein. Dies trifft für alle technisch physikalischen Größen zu, die eine Änderung des optischen Weges bewirken. Ein hochempfindliches Verfahren stellen die interferometrischen Methoden dar. Insbesondere eignet sich ein Michelson-Interferometer für diese Aufgaben, da sein Meßarm frei zugänglich ist.On the one hand, length measurements should be highly precise and over large Measurement paths can be carried out, on the other hand, the measuring head be as small as possible. This is technically true for everyone physical quantities that change the optical Effect. The are a highly sensitive process interferometric methods. In particular, a Michelson interferometer for these tasks because its measuring arm is freely accessible.

Es ist bekannt, daß hochauflösende Messungen optischer Wege mit dem Michelson-Interferometer durchgeführt werden. Bislang werden diskrete optische Elemente wie Strahlteiler und Linsen benutzt. Dabei muß gewährleistet sein, daß die Komponenten wie Strahlteiler, Referenzspiegel und Kollimatorlinse einjustierbar und dennoch erschütterungsfest aufgebaut sind. Der Aufbau mit diskreten Elementen erfordert einen hohen Justieraufwand und er läßt sich nicht beliebig verkleinern.It is known that high resolution optical path measurements with the Michelson interferometer. So far become discrete optical elements such as beam splitters and lenses used. It must be ensured that the components such as Beam splitter, reference mirror and collimator lens adjustable and yet vibration-resistant. The construction with discrete elements requires a high one Adjustment effort and it can not be reduced arbitrarily.

Objekte die hochpräzise auszumessen sind, haben oftmals ein kleines Volumen, sodaß die klassischen Interferometeraufbauten aufgrund ihrer großen Abmessungen nicht einsetzbar sind.Objects that are to be measured with high precision often have one small volume, so that the classic interferometer structures cannot be used due to their large dimensions.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Michelson-Interferometers zu miniaturisieren, den Aufwand zur Justage des Interferometers beim Meßeinsatz zu minimieren und die Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und elektromagnetische Störstrahlung zu reduzieren. The invention has for its object to build a To miniaturize Michelson interferometers, the effort to To minimize adjustment of the interferometer during measurement and sensitivity to vibrations and reduce electromagnetic interference.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Licht in einmodigen Wellenleitern geführt wird, die durch strukturierten Ionenaustausch in Glassubstraten oder Eindiffusion in Kristallen hergestellt werden. Integriert- optisch wird der Strahlteiler durch einen symmetrischen Koppler realisiert. Die Lichtwellenleiter in dieser integriert-optischen Komponenten haben eine Breite von nur wenigen Mikrometern. Strahlteiler, Referenzarm und Referenzspiegel liegen geschützt in dem Substrat. Dieser integriert-optische Chip ist damit mechanisch stabil und unempfindlich gegen Erschütterungen. Der Spiegel des Referenzarmes wird direkt auf die Stirnseite der Wellenleiter aufgebracht. Eine Justierung des Referenzkanals entfällt.This object is achieved in that the Light is guided in single-mode waveguides that pass through structured ion exchange in glass substrates or Diffusion can be made in crystals. Integrated- the beam splitter is made optical by a symmetrical one Coupler realized. The optical fibers in this integrated optical components have a width of only a few micrometers. Beam splitter, reference arm and Reference mirrors are protected in the substrate. This Integrated optical chip is therefore mechanically stable and insensitive to vibrations. The mirror of the The reference arm is directly on the face of the waveguide upset. There is no need to adjust the reference channel.

Ein integriert-optisch aufgebautes Michelson-Interferometer hat einen frei zugänglichen Meßarm und ist einsetzbar, wenn die zu messende technisch physikalische Größe eine Änderung des optischen Weges bewirkt. Gegenüber den bislang benutzten klassischen Interferometern zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch ihre miniaturisierte, einfache, kompakte Ausführung aus, die überdies den Justieraufwand, der bei einem konventionell aufgebautem Michelson-Interferometer erheblich ist, auf ein Minimum reduziert. Durch den integriert-optischen Aufbaus des Michelson-Interferometers werden der Interferometrie Meßobjekte zugänglich, auf die bislang die klassischen Interferometrieverfahren nicht anwendbar waren, wegen ihres komplizierten Aufbaus mit zwar kleinen aber immer noch diskreten, einzujustierenden und deshalb nicht beliebig miniaturisierbaren Komponenten. Mit diesem kompakten Sensorkopf können nun auch kleinste Meßobjekte optisch berührungslos mit hoher Genauigkeit abgetastet werden.An integrated optically designed Michelson interferometer has a freely accessible measuring arm and can be used when the technical-physical quantity to be measured is a change of the optical path. Compared to the previously used classical interferometers distinguish the present Invention through its miniaturized, simple, compact Execution out, which also the adjustment effort, the one conventionally constructed Michelson interferometer considerably is reduced to a minimum. Through the integrated optical The construction of the Michelson interferometer is the Interferometry objects accessible to which the classic interferometric methods were not applicable, because of their complicated structure with small but still discreet, to be adjusted and therefore not components that can be miniaturized as required. With this compact The sensor head can now optically handle even the smallest measurement objects can be scanned without contact with high accuracy.

Immer dann, wenn Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse wie elektrische Einstreuungen, Anwendbarkeit auch bei hohen Temperaturen, Explosionssicherheit, Beständigkeit gegen korrosive Medien sowie Unempfindlichkeit gegen radioaktive Strahlung gefordert ist, dann bietet sich der Einsatz von Lichtleitfasern für eine Signalübertragung über große Strecken an. Die kommerziell erhältlichen Sensoren haben oftmals einen elektrischen Ausgang und sind deshalb selbst nicht unempfindlich gegen die oben genannten Störeinflüsse. Nutzt man jedoch beispielsweise zur Herstellung des integriert- optischen Michelson-Interferometers Glas als Substratmaterial, so wird der Sensorkopf selbst ebenso unempfindlich gegenüber Störeinflüsse wie die Lichtleitfaser, die zur Übertragung des Meßsignals über weite Strecken dient.Whenever insensitivity to interference such as electrical interference, applicability even at high Temperatures, explosion safety, resistance to corrosive media and insensitivity to radioactive Radiation is required, then the use of Optical fibers for signal transmission over long distances at. The commercially available sensors often have one electrical output and therefore are not themselves insensitive to the interference mentioned above. Uses However, for example, for the manufacture of the integrated optical Michelson interferometer glass as substrate material, the sensor head itself is also insensitive to this Interferences such as the optical fiber used to transmit the Measurement signal is used over long distances.

In dieser Erfindung wird die Gestaltung eines Michelson- Interferometers dargestellt, das eine einfache, kompakte und robuste Bauform erlaubt. Den schematischen Aufbau zeigt Fig. 1. Licht einer kohärenten Lichtquelle wird mit einer polarisationserhaltenden Monomodefaser in das Michelson- Interferometer eingekoppelt. Durch diese Anordnung ist auch ein Laser mit schmaler Bandbreite und damit hoher Kohärenz flexibel mit dem Meßkopf verbunden, der dadurch einfach handhabbar wird.In this invention, the design of a Michelson interferometer is shown, which allows a simple, compact and robust design. The schematic structure is shown in FIG. 1. Light from a coherent light source is coupled into the Michelson interferometer using a polarization-maintaining monomode fiber. This arrangement also flexibly connects a laser with a narrow bandwidth and thus high coherence to the measuring head, which is therefore easy to handle.

Der am Eingang 1 in das Interferometer eintretende Primärlichtstrom wird durch einen Strahlteiler 3 in zwei Teillichtströme annähernd gleicher Amplituden auf den Meßarm 4 und den Referenzarm 5 geteilt. In dieser Erfindung ist der Strahlteiler durch einen integriert-optischen Koppler 3 realisiert. Die Teillichtströme werden durch die Spiegel 6 und 7 zum Strahlteiler 3 zurückgeworfen. Licht, das im Referenzarm des integriert-optischen Kopplers geführt wird, trifft auf einen direkt auf das Substrat aufgebrachten Spiegel 6, den Referenzspiegel. Gegenüber einem diskret aufgebauten Michelson-Interferometer hat diese Anordnung den Vorteil mechanisch stabil und sicher gegen Umwelteinflüsse zu sein, da Strahlteiler und Referenzweg in das Substrat geschützt gegen Störeinflüsse eingebaut sind. Sofern eine Lichtquelle niedriger Kohärenz benutzt wird, kann der Weg des Referenzarmes an den gewünschten Meßabstand dadurch angepaßt werden, daß am Ausgang des Referenzarmes eine Glasfaser geeigneter Länge mit einem verspiegelten Ende angebracht wird. The primary luminous flux entering the interferometer at the input 1 is divided by a beam splitter 3 into two partial luminous fluxes of approximately the same amplitudes on the measuring arm 4 and the reference arm 5 . In this invention, the beam splitter is implemented by an integrated optical coupler 3 . The partial luminous fluxes are reflected back to the beam splitter 3 by the mirrors 6 and 7 . Light that is guided in the reference arm of the integrated optical coupler hits a mirror 6 , the reference mirror, which is applied directly to the substrate. Compared to a discreetly built Michelson interferometer, this arrangement has the advantage of being mechanically stable and safe against environmental influences, since the beam splitter and reference path are built into the substrate to protect against interference. If a light source of low coherence is used, the path of the reference arm can be adapted to the desired measuring distance by attaching a glass fiber of suitable length with a mirrored end to the output of the reference arm.

Für geringe Meßabstände reicht es aus, den Spiegel des Meßarmes direkt vor dem Meßarm des Interferometers zu positionieren. Für größere Meßabstände über mehrere Zentimeter wird das Michelson-Interferometer mit einer Kollimatorlinse versehen. Das am Wellenleiterende oder bei örtlichgetrenntem Meßarm am Faserende austretende Licht wird durch die Linse näherungsweise in ein Parallelstrahlbündel umgewandelt, was unmittelbar zu einer Aufweitung des Lichtstrahles führt. Die Linse ist als Gradientenoptik (sog. "GRIN"-Linsen) hergestellt, statt der gewöhnlichen Kollimatorlinse. Die GRIN- Linse 8 kann vor den integriert-optischen Chip geklebt oder gehaltert werden. Mit dem Ionenaustausch im Glas lassen sich auch die Gradientenlinsen in das Substrat einbauen. Durch die Strahlaufweitung wird die Meßeinrichtung unempfindlich gegen kleine Ausricht- und Kippfehler der Apparatur. Außerdem wirken sich kleine Verschmutzungen auf dem der Linse gegenüberliegenden Spiegel 7, der in axialer Richtung des Wellenleiters beweglich ist, kaum aus. Bei Messungen sehr kleiner Längen können die GRIN-Linsen entfallen. Bei der Messung von Brechzahlen sind Verunreinigungen auf den beiden optisch durchtretenen Flächen des Meßvolumens durch die Aufweitung weniger störend.For short measuring distances, it is sufficient to position the mirror of the measuring arm directly in front of the measuring arm of the interferometer. The Michelson interferometer is equipped with a collimator lens for larger measuring distances over several centimeters. The light emerging at the end of the waveguide or at the locally separated measuring arm at the end of the fiber is approximately converted by the lens into a parallel beam, which leads directly to an expansion of the light beam. The lens is manufactured as gradient optics (so-called "GRIN" lenses) instead of the usual collimator lens. The GRIN lens 8 can be glued or held in front of the integrated optical chip. With the ion exchange in the glass, the gradient lenses can also be built into the substrate. The beam expansion makes the measuring device insensitive to small alignment and tilting errors in the apparatus. In addition, small contaminations have little effect on the mirror 7 opposite the lens, which is movable in the axial direction of the waveguide. The GRIN lenses can be omitted for measurements of very short lengths. When measuring refractive indices, contamination on the two optically penetrated areas of the measurement volume is less disruptive due to the widening.

Durch den Strahlteiler 3 wird das Licht des Meßarmes mit dem des Referenzarmes überlagert. Eine Änderung des optischen Weges in der Meßstrecke führt zu Interferenzen. Die Änderung der Phasenbeziehung zwischen Meßarm 4 und Referenzarm 5 wird durch den Strahlteiler 3 in eine Intensitätsmodulation auf dem Ausgangarm 9 umgewandelt. Verschieben um eine halbe Lichtwellenlänge bedeutet, daß eine Gangdifferenz von einer Wellenlänge zustande kommt, da der Weg zum Meßspiegel 7 zweimal durchlaufen wird. Die Intensität hängt von der Phasendifferenz der interferierenden Teilstrahlen ab. Deshalb ist für die Übertragung des Meßsignals eine einfache vielmodige Faser angekoppelt, die das Licht einem entferntliegenden Photodetektor zuführt. The light of the measuring arm is superimposed with that of the reference arm by the beam splitter 3 . A change in the optical path in the measuring section leads to interference. The change in the phase relationship between measuring arm 4 and reference arm 5 is converted by the beam splitter 3 into an intensity modulation on the output arm 9 . Moving by half a light wavelength means that a path difference of one wavelength occurs because the path to the measuring mirror 7 is run through twice. The intensity depends on the phase difference of the interfering partial beams. For this reason, a simple multimode fiber is coupled for the transmission of the measurement signal and feeds the light to a remote photodetector.

Die Erfindung findet überall dort Anwendung, wo die zu messende technisch physikalische Größe eine Änderung des optischen Weges bewirkt. Dies ist durch die Längen- oder Wegänderung unmittelbar gegeben; es ist aber gerade dort vielseitig einsetzbar, wo eine Änderung des optischen Weges durch eine Änderung der Brechzahl erzeugt wird. Das trifft zu für die Messung der Brechzahl durch den Druck, der Zusammensetzung von Gasen oder Flüssigkeiten oder die Kraftmessung, sofern die Kraft einen Körper (insbesondere Kristalle) in seinen geometrischen Abmessungen ändert. Neben Meßobjekten mit gut reflektierender Oberfläche, wie z.B. alle Bauelemente der Optik, lassen sich auch Objekte mit ausreichender Reflexion, wie z.B. Metalle und Halbleiter optisch berührungslos auf Ebenheit prüfen.The invention finds application wherever the one to be measured technically physical size a change in optical Way. This is due to the change in length or path given immediately; but it is versatile there can be used where a change in the optical path through a Change in the refractive index is generated. That applies to them Measurement of refractive index by pressure, the composition of Gases or liquids or the force measurement, provided that Force a body (especially crystals) into it changes geometric dimensions. In addition to objects with good reflective surface, e.g. all components of the Optics, even objects with sufficient reflection, such as. Metals and semiconductors optically contactless Check flatness.

Eine Erkennung der Richtung des optischen Verstellweges erfordert eine Modulation des Meßsignals. Das Volumen der Modulatoren in klassischen Interferometern ist zu groß für den Einsatz in diesem miniaturisierten Aufbau.Detection of the direction of the optical adjustment path requires modulation of the measurement signal. The volume of the Modulators in classic interferometers is too big for that Use in this miniaturized structure.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Phasenmodulatoren in die Wellenleiter des integriert-optischen Kopplers eingebaut werden. Es werden beispielsweise Elektroden 10 auf die Wellenleiter aufgebracht, die die Phase auf dem Referenzarm periodisch mit 90 Grad verschieben. Die inkrementale Meßwertgewinnung in einer stehende Welle ist unmittelbar mit der inkrementalen Abtastung eines körperlichen Maßstabes vergleichbar, denn das Intensitätsprofil der stehende Welle verkörpert mit seinen Maxima und Minima eine ebenso räumlich feststehende Gitterteilung wie z.B. die Hell- Dunkelstriche eines inkrementalen Glasmaßstabes. Bekanntlich setzt die inkrementale Meßwertgewinnung zwei um 90 Grad phasenverschobene Signale voraus. Bei der inkrementalen Abtastung einer stehenden Welle wird die Bezugsgröße von 360 Grad durch eine Periode des Intensitätsprofils der stehenden Welle erzeugt, die eine halbe Wellenlänge beträgt. Legt man an die Elektroden eine Wechselspannung an, so kann man die optische Weglänge des Referenzarmes variieren. Im Falle der mit Wechselspannung modulierten Referenzarmlänge ergibt sich der Meßwert aus einer Mittelwertbildung.According to the invention the object is achieved in that phase modulators are installed in the waveguides of the integrated optical coupler. For example, electrodes 10 are applied to the waveguides, which periodically shift the phase on the reference arm by 90 degrees. The incremental measurement value acquisition in a standing wave is directly comparable to the incremental scanning of a physical scale, because the intensity profile of the standing wave with its maxima and minima embodies a spatially fixed grid division, such as the light-dark lines of an incremental glass scale. As is known, the incremental acquisition of measured values requires two signals that are phase-shifted by 90 degrees. In the incremental scanning of a standing wave, the reference variable of 360 degrees is generated by a period of the intensity profile of the standing wave, which is half a wavelength. If an AC voltage is applied to the electrodes, the optical path length of the reference arm can be varied. In the case of the reference arm length modulated with AC voltage, the measured value results from averaging.

Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit der Signalauswertung, besteht in dem Nachregeln des Gangunterschieds, dem sogenannten Homodynverfahren. Es wird der Gangunterschied im Meßarm dem Referenzarm des Interferometers nachgeführt. In Fig. 2 ist der Phasenmodulator 10 schematisch dargestellt. Bei einer solchen Regelung besteht das Problem, das Vorzeichen der auftretenden Regelabweichung zu erkennen. Wird aber der Gangunterschied im Referenzarm des Interferometer mit hoher Frequenz periodisch variiert, z.B. durch eine periodische Phasenmodulation eines Wellenleiters und die hieraus resultierende Wechselkomponente des Detektor-Ausgangssignals mit der Gangunterschieds-Modulationsfrequenz phasenempfindlich gleichgerichtet, so ist das Problem der Vorzeichenerkennung auf einfache Weise gelöst. Dieses Gleichsignal, dessen Polarität mit der Änderungsrichtung wechselt, kann dann als Steuersignal für das Stellglied, einem Phasenmodulator 10, genutzt werden, das die gewünschte Folgeänderung des Gangunterschieds in den Referenzarm des Interferometer vermittelt. Dies kann zum einen durch eine mechanische Verstellung eines vor dem Referenzarm beweglich angebrachten Spiegels geschehen, oder durch auf das Substrat aufgebrachte thermooptische oder elektrooptische Phasenmodulatoren.Another useful way of evaluating signals is to readjust the path difference, the so-called homodyne method. The path difference in the measuring arm is tracked to the reference arm of the interferometer. In FIG. 2, the phase modulator is shown schematically 10th With such a regulation, there is the problem of recognizing the sign of the occurring system deviation. However, if the path difference in the reference arm of the interferometer is periodically varied at a high frequency, for example by periodic phase modulation of a waveguide and the resulting alternating component of the detector output signal with the path difference modulation frequency, phase-sensitive rectified, the problem of sign recognition is solved in a simple manner. This direct signal, the polarity of which changes with the direction of change, can then be used as a control signal for the actuator, a phase modulator 10 , which conveys the desired subsequent change in the path difference in the reference arm of the interferometer. This can be done on the one hand by mechanical adjustment of a mirror movably mounted in front of the reference arm, or by thermo-optical or electro-optical phase modulators applied to the substrate.

Eine Erhöhung der Auflösung erzielt man durch die Anwendung eines Heterodynverfahrens, daß mehrere digital ansteuerbare Phasenmodulatoren erfordert. Schematisch ist dies in Fig. 2 durch die Phasenmodulatoren 10 dargestellt. Nach einem festgelegten Algorithmus werden die Elektroden angesteuert. Jede Elektrode sorgt für einen diskreten Phasensprung um 45, 90 und 180 Grad. Vorteil dieses Verfahrens ist es, das die Anforderungen an die Genauigkeit der Phasensprünge sich darauf beschränken, daß die jeweiligen Phasensprünge immer mit der gleichen Abweichung auftreten müssen. Die sonst notwendige hochgenaue Absoluteinstellung der Phasensprünge ist bei diesem Verfahren nicht notwendig.An increase in resolution is achieved by using a heterodyne method that requires several digitally controllable phase modulators. This is shown schematically in FIG. 2 by the phase modulators 10 . The electrodes are controlled according to a defined algorithm. Each electrode ensures a discrete phase jump of 45, 90 and 180 degrees. The advantage of this method is that the requirements for the accuracy of the phase jumps are limited to the fact that the respective phase jumps must always occur with the same deviation. The otherwise necessary high-precision absolute adjustment of the phase jumps is not necessary with this method.

Claims

1. Integrated optical Michelson interferometer, consisting of monochromatic laser light source, beam splitter, Beam expansion and optical fibers for guiding the light towards the measuring head and a multimode optical fiber for Return of the measuring signal carrying light marked in that the beam splitter is integrated by an optical coupler is formed.

2. Integrated optical Michelson interferometer according to point 1, characterized in that the interferometer as integrated optical chip is formed by structured ion exchange or diffusion is.

3. Integrated optical Michelson interferometer according to point 1, characterized in that the beam splitter and the Reference arm protected in the substrate material and is therefore not susceptible to interference from external influences such as Soiling and especially vibrations.

4. Integrated optical Michelson interferometer according to point 1, characterized in that the sensor head is separated locally operated by the coherent light source and both connected to each other by a flexible optical fiber are.

5. Integrated optical Michelson interferometer according to point 1, characterized in that the measuring arm by means of flexible Optical fibers locally from the integrated optical chip can be built separately.

6. Integrated optical Michelson interferometer according to point 1, characterized in that for the generation of the length or output luminous flux containing refractive index information no optical-electronic converter elements at the measuring location are needed, their function due to environmental influences is disturbed at the measuring location.

7. Integrated optical Michelson interferometer according to point 1, characterized in that in the integrated optical Chip phase modulators are built in to the To implement directional detection and the Increase sensitivity.

8. Integrated optical Michelson interferometer according to item 7, characterized in that the phase modulators thermo-optic or electro-optically constructed or a transparent photoelectrically active or piezoelectric layer on the face of the Waveguide that produces phase shift.

9. Integrated optical Michelson interferometer according to point 8, characterized in that the phase modulators digital work and multi-stage digital phase modulators Increase resolution using the heterodyne method.