DE3837593A1

DE3837593A1 - Wellenlaengenstabilisierung

Info

Publication number: DE3837593A1
Application number: DE19883837593
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Individual
Current assignee: KERNER, MARTIN KARL ARTUR, O-6017 SUHL, DE
Priority date: 1988-11-05
Filing date: 1988-11-05
Publication date: 1990-05-10
Also published as: CH680236A5

Description

Die Patentanmeldung betrifft ein Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung.

In der interferometrischen Längenmeßtechnik ist der Interferenzstreifenabstand der Maßstab für die Messung. Dieser Interferenzstreifenabstand ist im Vakuum konstant und entspricht dem Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit zur Frequenz der Strahlung. In freier Atmosphäre ändert er sich in Abhängigkeit des Brechungsindexes der Luft mit dem Wetter. Interferometer, die Gaslaser (He-Ne) als Strahlungsquellen benutzen, sind frequenzstabilisiert, da die Laserlinie selbst sich als Frequenzreferenz ausgezeichnet eignet. Die Einflüsse des Brechungsindexes der Luft werden parametrisch gemessen, nach der Edlnschen Formel berechnet und der Meßwert wird damit korrigiert. Bei dieser Methode wird ein Normalluftgemisch vorausgesetzt, das den heutigen Gegebenheiten nicht mehr entspricht und bei Präzisionsmessungen zu Fehlern führt. Wird als Strahlungsquelle eine Laserdiode benutzt, so entfällt die interne Entladungslinie als Frequenzreferenz. Es ist deshalb notwendig, eine externe Referenz zur Stabilisierung zu verwenden. Es ist somit naheliegend, die Wellenlänge zu stabilisieren.

Es sind frequenzstabilisierte Gas-Laser, insbesondere He-Ne Laser bekannt, die sich jedoch nicht wellenlängenstabilisieren lassen, da der Bereich für die Änderung der Frequenz (typ. 800 MHz) zu klein ist.

Es sind frequenzstabilisierte Laserdioden bekannt, die bisher noch nicht in Interferometern eingesetzt wurden.

Es sind Laserdioden-Interferometer bekannt, deren Strahlungsquellen temperatur- und stromstabilisiert sind, deren Frequenz oder Wellenlänge sich jedoch aufgrund von Hystereseeffekten der Diode ändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu beschreiben, das die Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung in Abhängigkeit der Änderungen eines wellenlängenverändernden Mediums stabilisiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung ist dadurch gekennzeichnet,

- daß mindestens ein Arm eines interferometrischen Strahlenganges eine konstante Länge beinhaltet,
- daß sich diese im wellenlängenverändernden Medium befindet und
- daß am Ausgang des Interferometers mindestens zwei zueinander phasenversetzte Signale der Interferenzerscheinung erzeugt werden zur Regelung einer konstanten Wellenlänge der Strahlung, so
- - daß deren Wirkung diejenigen Parameter der Strahlungsquelle beeinflußt, die die Frequenz der Strahlung verändern.

Neben der klassischen Interferometrie hat sich die heterodyne Zweifrequenz-Interferometrie in der Längenmeßtechnik durchgesetzt, da sie bei größerem Signal-Rausch-Verhältnis justierunempfindlicher und daher anwenderfreundlicher ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge kann deshalb als klassisches als auch als heterodynes Verfahren ausgebildet werden. Da es immer ein in sich abgeschlossenes Interferometer zur Stabilisierung der kohärenten Strahlung benötigt, so ist dieses ein integrierter Bestandteil des oder der messenden Interferometer, die alle eine gemeinsame Strahlungsquelle haben. Daraus ergeben sich die Kombinationen, daß das wellenlängenstabilisierende und das messende Interferometer den klassischen Typen entsprechend oder eines klassisch und das andere heterodyn oder beide heterodyn aufgebaut sind. Die richtige Wahl hängt von der Anwendung, den Technologien für die optischen Strahlengänge und der elektronischen Signalverarbeitung ab. Die heterodyne interferometrische Wellenlängenstabilisierung hat einen grundsätzlich anderen Aufbau.

Wird beim heterodynen Interferometer die erste Strahlung wellenlängenstabilisiert, so muß die zweite relativ zur ersten frequenzstabilisiert werden, damit die Differenzfrequenz (Schwebungsfrequenz) konstant bleibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu beschreiben, das die Wellenlängen mindestens zweier kohärenter Strahlungen unterschiedlicher Frequenz stabilisiert.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Stabilisierung mindestens zweier kohärenter Strahlungen unterschiedlicher Frequenz ist dadurch gekennzeichnet,

- daß die Differenzfrequenz der Strahlungen gegenüber einer Frequenzreferenz auf Frequenzgleichheit so geregelt wird,
- - daß deren Wirkung diejenigen Parameter einer Strahlungsquelle beeinflußt, die die Frequenz der Strahlung verändern,
- daß die Differenzfrequenz derjenigen Strahlung, die die Wellenlängenfrequenz durchläuft, gegenüber einer Frequenzreferenz auf Phasengleichheit so geregelt wird,
- - daß deren Wirkung diejenigen Parameter der zweiten Strahlungsquelle beeinflussen, die die Frequenz der Strahlung verändern.

Zur Durchführung des Verfahrens wird eine Wellenlängenreferenz verwendet, die gekennzeichnet ist durch die Verwendung eines geeigneten Materials, welches bestmöglichst unabhängig ist von den Parametern, die die Wellenlängenänderung der Strahlung hervorrufen, so daß die konstante Länge des Interferometerarmes, der sich im wellenlängenverändernden Medium befindet, die Wellenlängenreferenz der Strahlung ist.

Im folgenden sollen Ausführungsbeispiele zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden:

Bei der Verwendung einer Laserdiode als Strahlungsquelle soll zweckmäßigerweise ein Interferometer in Glasfasertechnik oder integrierter Optik vorausgesetzt werden. Die Strahlung einer Laserdiode kann dabei direkt oder über eine Glasfaser in die integrierte optische Schaltung eingekoppelt werden. Beim Austritt der Strahlung tritt starke Dispersion infolge des kleinen Leiterquerschnittes auf, so daß ein Objektiv zur Bündelung notwendig wird, wenn die Strahlung über eine längere Meßstrecke geleitet wird. Die Meßstrecke der Wellenlängenreferenz muß jedoch kurz sein, damit sie eindeutig bleibt innerhalb des Regelbereiches (ca. 5 · 10^-5), kürzer als 10⁴ λ, etwa 8 mm. Unter diesen Voraussetzungen ist eine einfache und zweckmäßige Anordnung der Wellenlängenreferenz gegeben. Ein sphärischer Hohlspiegel wird halbkugelförmig in ein Glaskeramikmaterial mit sehr geringem Dilatationskoeffizient α

eingeschliffen, so daß die aus der integrierten Schaltung dispersiv austretende Strahlung in sich selbst oder bei dezentrierter Anordnung leicht versetzt (ca. 0,05 mm) reflektiert und in einen zweiten Wellenleiter eingekoppelt wird. Im Fall eines größeren Wellenleiterabstandes kann ein Ellipsoidspiegel benutzt werden, wenn die Wellenleiter in seinen beiden Brennpunkten liegen, so ist die Wegstrecke über die Spiegelung an allen Punkten konstant. Das von der Wellenlängenreferenz reflektierte Licht wird in einen Wellenleiter eingekoppelt und mit dem Referenzstrahl gemischt, so daß es interferieren kann. Dieser Wellenleiter wird wiederum geteilt und so geleitet, daß zwischen den beiden Leitern eine geringe Phasendifferenz entsteht, dadurch kann die Intensität des Interferenzstreifens an zwei benachbarten Orten detektiert werden. Die beiden detektierten Intensitäten werden in den Komparator eingespiesen, der ein von der Intensitätsdifferenz abhängiges Signal zur Regelung des Injektionsstromes abgibt, bis die Intensitäten am Ausgang des Interferometers gleich sind. Damit ist der Interferenzstreifenabstand und die Anzahl aller Interferenzen im optischen Weg der Wellenlängenreferenz durch Änderung der Frequenz an der Quelle festgelegt. Der durch den Spiegel gebildete halbkugelförmige Hohlraum ist geöffnet, so daß die Luft ungehindert eintreten kann.

Es zeigt die Abb. 1a die schematische Anordnung eines wegmessenden, wellenlängenstabilisierten Interferometers aufgebaut in integrierter Optik. Die Platte (11) trägt den integrierten optischen Strahlengang von zwei Interferometern mit der gleichen Strahlungsquelle einer Laserdiode (1) und den Aus- und Einkoppelobjektiven (2), einen Planspiegel (12) und die Wellenlängenreferenz (5). Das Tripelprisma (4) stellt das bewegliche Meßglied für die Längenmessung dar, die aus dem Meßstrahl (a) und dem Referenzstrahl (b) besteht. Der Referenzstrahl (b) wird am Spiegel (12) nochmals aufgeteilt in den Meßstrahl (c) und den Referenzstrahl (d) eines zweiten Interferometers zur Stabilisierung der Wellenlänge. Am Rande der integrierten Lichtleiterschaltung tritt der Meßstrahl (c) aus, durchläuft die Luftstrecke der Wellenlängenreferenz und wird vom halbkugelförmigen Spiegel reflektiert und in den gegenüber dem ersten Teil des Wellenleiters (c) etwas versetzten zweiten Teil eingekoppelt. Meß- (c) und Referenzstrahl (d) werden gemischt und danach noch einmal in (e, f) geteilt, um zwei phasenversetzte Ausgänge zu erzielen. Die Phasenversetzung in Wellenleitern kann auf unterschiedliche Art erfolgen:

- durch ungleiche Weglängen in (e) und (f)
- durch einen zweidimensionalen Wellenleiter genau berechneter Abmessungen zum Auskoppeln definierter Phasenzustände
- durch Übertragung in einen parallel laufenden Wellenleiter, wenn z. B. (f) zu (e) parallel geführt wird.

Die beiden Photodioden (6, 7) sind mit den Eingängen des Komparators (20) verbunden, der die Signale vergleicht und eine Regelspannung am Ausgang generiert, die abhängig ist von der Intensitätsdifferenz der phasenversetzten Signale. Die Ausgangsspannung des Komparators regelt den Injektionsstrom der Laserdiode über die geregelte Stromstabilisierung (21), wodurch sich die Frequenz ändert, diese wiederum bewirkt eine Änderung der Wellenlänge und damit eine Verschiebung der Interferenzstreifen an den Detektoren so lange, bis dieser symmetrisch erfaßt wird und die Intensitäten gleich sind.

Die Abb. 1b zeigt das Schema der Wellenleiter des Doppelinterferometers.

Anhand der beiliegenden Abb. 2a-c werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Einrichtung in Glasfasertechnologie beschrieben. Es zeigt die Abb. 2a die schematische Anordnung eines wellenlängenstabilisierten Interferometers in Glasfasertechnologie. Der Diodenlaser (1) strahlt in die Fasern (a), (b) und (c) ein. Die Objektive (2) kuppeln die Strahlung in die Meßstrecke aus und ein, wobei das Tripelprisma (3) den Meßweg abfährt. Die Faser (b) führt den Referenzstrahl und wird mit der Faser (a) so verbunden, daß der Lichtfluß in die jeweilige Nachbarfaser eintreten und interferieren kann. Die Interferenz wird von der Fotodiode (4) detektiert.

Die Faser (c) leitet die Strahlung in ein Fabry-P´rot-Interferometer (5) mit Luftabstand als Wellenlängenreferenz ein. Eine Doppelfotodiode (6, 7) detektiert den Interferenzring und hält dessen Durchmesser konstant.

Es zeigt die Abb. 2b die schematische Anordnung eines Doppelinterferometers in Glasfasertechnologie. Der Diodenlaser (1) strahlt in die Fasern (a), (b), (c), (d) ein, die Fasern (a) und (b) haben die gleiche Funktion wie in Abb. 2a. Die Faser (c) strahlt in den halbkugelförmigen Reflektor der Wellenlängenreferenz (5) und reflektiert die Strahlung wieder heraus, wo sie mit der Faser (d) des Referenzstrahles gemischt wird und interferiert, wiederum aufgeteilt in (e) und (f) und phasenversetzt den Fotodioden (6 und 7) zugeleitet wird.

Es zeigt die Abb. 2c die schematische Anordnung eines heterodynen Interferometers in Kombination mit einem klassischen für die Wellenlängenstabilisation der Laserdiode (1). Die Komponenten (1 bis 7) entsprechen der Beschreibung zur Abb. 2b. Zusätzlich strahlt die Laserdiode (8) eine zweite Frequenz, die zur Laserdiode (1) auf eine konstante Frequenzdifferenz (Schwebungsfrequenz) stabilisiert ist, in die Fasern (g und h) ein. Faser (h) wird mit (b) gemischt und vom Fotodetektor (9) für die heterodyne Referenzfrequenz empfangen, Faser (g) wird mit (a) gemischt und vom Fotodetektor (4) für die heterodyne Meßfrequenz empfangen.

Es zeigt die Abb. 3 die schematische Anordnung eines heterodynen Doppelinterferometers in integrierter Optik, für die Längenmessung mit wellenlängenstabilisierter gemeinsamer Strahlungsquelle (1) und der auf die Differenzfrequenz stabilisierten gemeinsamen Strahlungsquelle (8). Die Laserdiode (1) strahlt in die Wellenleiter (a, b, c), die Laserdiode (8) in (d, g, h) ein. Das Längenmeßinterferometer wird aus den Leiterbahnen (a, b, g, h) gebildet. Die Referenzdiode (9) empfängt die Differenzfrequenz über (b und h), die Meßdiode (4) über (a und g) von (1 und 8). Der Reflektor (3) ist das bewegliche Längenmeßmittel, zu dem die Strahlung über die Objektive (2) aus- und eingekoppelt wird. Die Frequenzen der Dioden (4 und 9) werden in je einen Meß- und Referenzzähler eingezählt, mit einem Komparator ständig verglichen und die Differenz ist das Meßresultat in halben Wellenlängen. Diese Schaltung wird in der Abbildung nicht gezeigt.

Durch Strahlteilung wird ein zweiter Meßarm (c) aufgebaut, in welchem die konstante Luftstrecke der Wellenlängenreferenz (5) integriert ist. Die Strahlung in (c) aus (1) bildet mit (d) aus (8) eine Schwebungsfrequenz, die von der Fotodiode (10) detektiert wird.

Die Differenzfrequenz zwischen den Laserdioden (1 und 8) wird zweckmäßigerweise gewählt und durch eine externe Frequenzreferenz (23), die ein Quarzoszillator sein kann, verwirklicht. Die Frequenzen (9 und 23) werden im Frequenzkomparator (27) verglichen und über die geregelte Stromstabilisierung (28) der Diodenspeisung geregelt. Damit folgt die Frequenz der Laserdiode (8) derjenigen von (1) mit konstanter Differenz, die durch (23) gegeben ist.

Die von der Fotodiode (10) detektierte Frequenz ist gleich groß wie die von (9), aber gegenüber dieser phasenverschoben, da die Strahlung den Luftweg der Wellenlängenreferenz durchläuft. Diese ist so dimensioniert, daß eine Phasenverschiebung < ± 180° innerhalb des Meßbereiches auftreten kann. Zur Stabilisierung der Wellenlänge muß die Laserdiode (1) in ihrer Frequenz geregelt werden. Das Signal aus (10) wird im Phasenkomparator (25) mit dem der Frequenzreferenz (23) verglichen und auf Null geregelt durch Einwirkung des Regelsignales aus (25) in die geregelte Stromstabilisierung (21) der Speisung der Laserdiode (1), die ihre Frequenz in Abhängigkeit des Injektionsstromes ändert und somit die Wellenlänge konstant hält.

Zwischen der Frequenzreferenz (23) und dem Phasenkomparator (25) ist ein Phasenschieber (24) zwischengeschaltet, mit dem gegebenenfalls eine konstante Phasendifferenz als Grundjustierung eingestellt werden kann, falls dies erforderlich ist.

Durch die Stabilisierung der Wellenlänge in freier Atmosphäre ist ein Verfahren geschaffen, welches gegenüber der bekannten Frequenzstabilisierung und der parametrischen Messung des Brechungsindexes der Luft und dessen nachträgliche Korrektur wesentlich einfacher im Aufbau und in der Anwendung für die interferometrische Längenmeßtechnik ist.

Claims

1. Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung, dadurch gekennzeichnet,

2. Verfahren zur Stabilisierung der Wellenlänge mindestens zweier kohärenter Strahlungen unterschiedlicher Frequenz, dadurch gekennzeichnet,

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Verwendung eines geeigneten Materials, welches bestmöglichst unabhängig ist von den Parametern, die die Wellenlängenänderungen der Strahlung hervorrufen, so daß die konstante Länge des Interferometerarmes, der sich im wellenlängenverändernden Medium befindet, die Wellenlängenreferenz der Strahlung ist.

4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Bemessung der Länge des konstanten Interferometers, derart, daß bei einer vorgegebenen mittleren Frequenz der Strahlung und einem durch die möglichen Schwankungen der wellenlängenverändernden Parameter des Mediums begrenzten Regelbereiches die Anzahl der halben Wellenlängen unverändert bleibt, wodurch die Eindeutigkeit gewährleistet ist.

5. Verfahren nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch die Form des optischen Elementes, welches den Interferometerarm der Wellenlängenreferenz begrenzt, das als Planparallelplattenpaar, Planspiegel, sphärischer oder ellipsoider Spiegel ausgebildet sein kann, wodurch eine bestgeeignete Anpassung an den Aufbau oder den Typ des Interferometers erreicht wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Einbeziehung des optischen Elementes und/oder der Wellenlängenreferenz, der Frequenzreferenz sowie der Platine des optisch-integrierten Schaltkreises in die Thermostabilisierung der Strahlungsquelle zur Erreichung bestmöglicher Konstanz.

7. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch die Anordnung der Wellenlängenreferenz in der Nähe der Meßstrecke des messenden Interferometers, wobei die Übertragung der Strahlung durch faseroptische Wellenleiter vorgenommen wird, damit die Wellenlängenstabilisierung am Ort der Messung erfolgt.

8. Verfahren nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch gleich lange Wellenleiter für die symmetrischen Arme der Interferometer, damit keine umsymmetrischen Phasenverschiebungen infolge Änderung des Brechungsindexes der Wellenleiter auftreten, die das Meßresultat verfälschen.

9. Verfahren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch die Anordnung eines Phasenschiebers zwischen Frequenzreferenz und Phasenkomparator, womit eine konstante Phasenlage zur Grundjustierung der Wellenlängenreferenz eingestellt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das wellenlängenstabilsierende Interferometer integraler Bestandteil eines messenden Interferometers ist und daß beide eine gemeinsame kohärente Lichtquelle haben, ihre Wellenleiter in optischer Lichtleitfaser- oder integrierter optischer Schaltungs-Technologie aufgebaut sind, zur Erzielung einer kompakten raumsparenden Bauweise.