DE3911471A1 - Heterodynes verfahren zur refraktometrischen messung und stabilisierung der wellenlaenge - Google Patents

Description

Die Patentanmeldung betrifft ein heterodynes Verfahren zur refraktometrischen Messung eines Mediums und/oder zur Stabilisierung der Wellenlänge oder der Frequenz mindestens einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung.

In der interferometrischen Längemeßtechnik 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 Brechnungsindexes der Luft mit dem Wetter. Interferometer, die He-Ne Gaslaser als Strahlungsquelle benutzen, sind frequenzstabilisiert, da die Entladungslinie der Anregung selbst sich als Frequenzreferenz anbietet. Die Einflüsse des Brechungsindexes der Luft werden parametrisch gemessen, nach der Edl´n'schen Formel berechnet und als Korrektur des interferometrischen Meßwertes verwendet. Die Genauigkeit dieser Methode ist auf ca. 5 E-7 begrenzt.

Wird als Strahlungsquelle ein Diodenlaser eingesetzt, so entfällt die interne Entladungslinie als Frequenzreferenz, der spektrale Emissionsbereich ist breit und abhängig vom Injektionsstrom und der Temperatur. Damit ein Diodenlaser für ein Interferometer der Längenmeßtechnik verwendet werden kann, ist eine externe Referenz notwendig, die die Größe der Frequenz oder Wellenlänge bestimmt und diese zeitlich stabilisiert.

Es sind frequenzstabilisierte Laserdioden als Laboraufbau bekannt, die bisher nicht für Längenmeßinterferometer eingesetzt wurden.

Es sind Diodenlaser-Interferometer bekannt, deren Strahlungsquellen temperatur- und stromstabilisiert sind, dessen Frequenz sich aufgrund von Hystereseeffekten und Alterserscheinungen ändert (EP-Anmeldung 1 35 000).

Es sind Refraktometer bekannt, die den Brechnungsindex unabhängig vom Interferometer sehr genau messen, deren Genauigkeit aber von der Kammerlänge und der Unsicherheit, mit der diese gemessen wurde, abhängt.

Es sind Wellenlängenstabilisierungen bekannt, deren Referenz nur 10 000 λ lang sein dürfen, damit sie in einem Regelbereich von Δ n/n = 5 E-5 eindeutig sind und deshalb eine begrenzte Auflösung haben. Für höhere Auflösung wurden mehrere gestufte Referenzen vorgeschlagen, die den Aufwand beträchtlich erhöhen (Wellenlängenstabilisation, in Feinwerktechnik und Meßtechnik 87 [1979], 8, pp 368-372). Diese Nachteile können ohne zusätzlichen instrumentellen Aufwand vermieden werden, wenn die Auslösung des Refraktometers von der Länge der Meßkammer unabhängig ist. Diese Längenunabhängigkeit kann erreicht werden, wenn man in zwei Kammern zwei Interferometer mit je einer autonomen Strahlungsquelle aufbaut und die Bedingung verwirklicht, daß die Anzahl der Wellenlängen in diesen Kammern konstant bleibt. Wenn beide Frequenzen zu einer Schwebungsfrequenz vereinigt werden, so ist diese das Maß für den Brechungsindex des Mediums in der Meßkammer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein heterodynes Verfahren zu beschreiben zur refraktometrischen Messung des Brechungsindexes eines Mediums und/oder zur Stabilisierung der Wellenlänge oder der Frequenz mindestens einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung und Stabilisierung der Wellenlänge ist dadurch gekennzeichnet,

• - daß in einem Refraktometer mit mindestens einer geschlossenen Vakuumkammer als Referenz und mindestens einer vom wellenlängenverändernden Medium durchflossenen Meßkammer je ein Interferometer aufgebaut wird, deren Meßstrecken, das sind die Kammerlängen, gleich lang sind und jedem eine kohärente Strahlungsquelle zugeordnet ist,
• - daß diese Strahlungsquellen untereinander optisch so gekoppelt sind, daß ihre Schwebungsfrequenz von einem Empfänger detektiert werden kann,
• - daß für jedes Interferometer mindestens zwei Empfänger so geschaltet sind,
• - daß sie die Interferenzerscheinung örtlich so fixieren und die Frequenz der kohärenten Strahlungsquelle so regeln,
• - daß die Anzahl der Interferenzen über beide Meßstrecken ganzzahlig ist und konstant bleibt,
• - daß das Verhältnis ihrer Anzahl zueinander bekannt ist und
• - daß das Verhältnis der Schwebungsfrequenz zur Trägerfrequenz das Maß für den Brechungsindex ist.

Zur Durchführung des Verfahrens wird ein Interferenz-Refraktometer verwendet, das im wesentlichen eine konstante und stabile mechanische Länge verkörpert. Diese Verkörperung kann aus einem Zylinder aus Glaskeramik bestehen, mit planparallel polierten Endflächen und zwei parallelen axialen Bohrungen, von denen eine die Mantellinie des Zylinders durchbricht. Auf den Endflächen des Zylinders werden teilverspiegelte Planparallelplatten gleichen Durchmessers angesprengt, wodurch die drei Teile ein doppeltes Fabry-P´rot Interferometer bilden. Die geschlossene Bohrung wird evakuiert, sodaß dieses Fabry-P´rot Interferometer die Referenz- und Vakuumkammer des Interferenz- Refraktometers und die offene die Meß- und Luftkammer bilden. Das Interferenz-Refraktometer besteht aus zwei Kammern, die je ein unabhängiges Interferometer darstellen, deren Detektorsignale elektronisch verglichen und über einen nachgeschalteten Regelkreis die Frequenz der zugehörigen kohärenten Strahlungsquelle so beeinflussen, daß die Anzahl halber Wellenlängen über die beiden Meßstrecken ganzzahlig und konstant bleiben.

Für die Kalibrierung des Refraktometers wird dessen offene Meßkammer für das Medium ebenfalls evakuiert. In diesem Ausgangszustand müssen beide Differentialdetektor-Paare die Interferenzerscheinung eingefangen haben und die Schwebungsfrequenz muß Null sein für die gleiche Anzahl von Wellenlängen in beiden Kammern. Es soll angenommen werden, daß der Frequenzzähler eine Zeitreferenz besitzt, die die Definition der Sekunde realsiert oder auf diese rückführbar ist.

Der Ablauf des Prozesses des Verfahrens soll in zeitlich aufeinanderfolgende Abschnitte gegliedert sein:

• - Einschalten des Instrumentes und selbsttätige Ansteuerung der programmierten Arbeitspunkte der Diodenlaser als Strahlungsquellen.
• - Evakuierung der Meßkammer zur Kalibrierung.
• - Messung und Kontrolle der eingestellten Frequenzen durch die Nullposition der Schwebungsfrequenz.
• - Einlassen des Mediums in die Meßkammer.
• - Reglung der Frequenz der kohärenten Strahlungsquelle der Meßkammer auf konstante Anzahl von Interferenzerscheinungen über die Meßstreckte.
• - Das Verhältnis der gemessenen Schwebungsfrequenz zur Trägerfrequenz ist das Maß (n - 1) des Brechungsindexes des Mediums.

Eine Kalibrierung des Refraktometers ohne die Evakuierung der Meßkammer ist unter zwei Bedingungen möglich:

• - Begrenzung der Kammerlänge, sodaß innerhalb des angenommenen Regelbereiches kein Streifenwechsel stattfindet und die Reglung damit eindeutig ist. Wird ein Regelbereich von Δ n/n = 5 E-5 angenommen, so errechnet sich daraus eine Kammerlänge von 20 000 λ/2, was etwa 8 mm entspricht. Die Auflösung eines so kurzen Interferometers ist klein und kann durch eine optische Abbildung der Interferenzerscheinung auf die Photodiodenpaare vergrößert werden. Eine höhere Auflösung mit einer größeren Kammerlänge wird dadurch möglich, daß man als Grundkalibrierung in den beiden Kammern eine ungleiche und bekannte Anzahl ganzzahliger Wellenlängen zuläßt. Beim Kalibrieren des Verhältnisses der Anzahl Wellenlängen zueinander treten bei der Evakuierung der Meßzelle genau definierte Schwebungsfrequenzen auf, die dem Wellenlängenverhältnis entsprechen.
• - Das erfindungsgemäße Verfahren beruht darauf, daß in beiden Refraktometerkammern immer die gleich große Anzahl von Interferenzen vorhanden sind, wobei die absolute Größe dieser Anzahl keinen Einfluß hat. Wird nunmehr durch einen von außen programmierten Ablauf der Kalibrierung, durch Änderung des Injektionsstromes, die Frequenz beider Diodenlaser gleichzeitig so verändert, daß sich die Anzahl der Iinterferenzstreifen um ganzzahlige Schritte ändert, so muß bei richtiger Kalibrierung die Schwebungsfrequenz konstant bleiben. Ist dies nicht der Fall, so muß nur die Frequenz des Diodenlasers des Meßinterferometers um ganzzahlige Interferenzstreifen nachgeregelt werden, bis diese Bedingung erfüllt ist.

Werden für die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens die Anzahl der Wellenlängen in den beiden Kammern ungleich groß gewählt, so treten bei der gleichzeitigen, stufenweisen Frequenzänderung Änderungen der Schwebungsfrequenz auf, die dem Wellenlängenverhältnis entsprechen.

Weitere Möglichkeiten zur Kalibrierung der Meßkammern unter atmosphärischen Bedingungen für eine gleiche oder ungleiche Anzahl von Wellenlängen besteht darin, daß man die Anzahl Wellenlängen in nur einer Kammer schrittweise und ganzzahlig ändert und aus den Differenzen der Schwebungsfrequenz die augenblickliche Größe des Brechungsindexes und/oder das Wellenlängenverhältnis bestimmt. Dabei kann einmal die Anzahl Wellenlängen der Vakuumkammer konstant gehalten und die der Meßkammer variiert werden und umgekehrt.

Im folgenden soll an einem Ausführungsbeispiel die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben werden:

Für das Ausführungsbeispiel soll vorausgesetzt werden:

• - daß als Strahlungsquellen zwei Einmod-Diodenlaser verwendet werden mit einer variablen Wellenlänge zwischen 783 und 785 nm entsprechend einer spektralen Bandbreite von 2 nm oder Δλ/λ = 2,5 E-3
• - daß Temperatur und Injektionsstrom die Emissionsfrequenz bestimmen,
  • - daß kleine Temperaturänderungen große Frequenzänderungen bewirken,
  • - daß relativ große Stromänderungen kleine Frequenzänderungen bewirken.

Anhand der beiliegenden Abbildung 1 wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen refraktometrischen Meßanordnung schematisch dargestellt.

Der mit (1) bezeichnete Grundkörper des Refraktometers mit der geschlossenen Bohrung (1 a) und der die Mantelfläche durchbrechenden, offenen Bohrung (1 b) wird von den beiden teilverspiegelten Platten (2 und 3) beidseitig abgedeckt. Der Innenraum der Bohrung (1 a) ist evakuiert. Der Innenraum der offenen Bohrung (1 b) kann mittels einer nicht dargestellten Zusatzeinrichtung für die Kalibrierung des Nullpunktes evakuiert werden.

Die beiden kohärenten Strahlungsquellen (4 und 5) sind als Laserdioden mit je einer Stromreglung (6 und 7) dargestellt und durchstrahlen die polarisationsoptischen Teilerwürfel (8 und 9) sowie die beiden Kammern (1 a und 1 b) des Refraktometers. Die Differentialphotodioden-Paare (10 und 11) fixieren die Interferenzerscheinung, melden Intensitätsverschiebungen an die Komparatoren (12 und 13), die ihrerseits den Injektionsstrom der Diodenlaser als Strahlungsquellen so regelt, daß die Intensitätsdifferenzen an den Photodioden- Paaren Null ist. Die Laserdioden (4 und 5) senden eine mit ca. 80% linear polarisierte Strahlung in die Polarisationsteiler und sind mit ihren Polarisationsebenen zueinander und relativ zu den Teilern orthogonal ausgerichtet. Ihre linear polarisierten Hauptintensitäten durchsetzen die interferometrischen Meßstrecken, die unpolarisierten Nebenintensitäten vereinigen sich, werden vom Polarisator (14) gedreht und interferieren zu einer Schwebungsfrequenz, die vom Photodetektor (15) empfangen und einem Frequenzzähler zugeleitet wird.

Die Regelbedingungen sind:

λ₀ = λ₁ für c = λ₀ν₀ und c/n = λ₁n₁
c/ν₀ = c/n ν₁
daraus: ν₀ = n ν₁

darin sind:
n = Brechnungsindex
λ₀ = Vakuumwellenlänge
ν₀ = Trägerfrequenz im Vakuum
λ₁ = Wellenlänge in Luft
ν₁ = Trägerfrequenz in Luft
c = Lichtgeschwindigkeit
N = Schwebungsfrequenz

N = ν₀ - ν₁ = ν₁ · n - n₁ = ν₁ (n - 1)
(n - 1) = N/ν₁

Das Verhältnis der Schwebungsfrequenz N zur Trägerfrequenz ν₁ ist damit ein Maß für den Brechungsindex (1 - n) der Luft. Die Frequenz ν₀ der Vakuuminterferenzstrecke sollte dabei stabil gehalten werden, was bedingt, daß der Abstand der Fabry-P´rot-Spiegel bestmöglichst konstant und stabil bleibt, was durch geeignete Wahl des Materials erreicht wird. Die Messung des Brechungsindexes mit dieser Meßmethode ist unabhängig von der Länge der Refraktometerkammern.

Die Frequenz der Strahlungsquelle für die Vakuumkammer kann auch in bekannter Weise durch eine Absorptionszelle stabilisiert werden, z. B. auf die Linie des Rubidiums. Das bedeutet keine Änderung des Verfahrens und seiner Durchführung, legt jedoch den absoluten Wert der Trägerfrequenz ν₀ genauer fest und eröffnet die Möglichkeit der Rückführbarkeit auf die Meter-Definition, falls die Frequenz der Rubidiumlinie als Referenz später festgelegt werden sollte.

Die frequenzstabilisierte Strahlung der Vakuuminterferenzstrecke kann teilweise ausgeblendet und für ein parallel dazu angeordnetes Längenmeßinterferometer als Strahlungsquelle verwendet werden. Der Brechungsindex der Luft wird rechnerisch korrigiert.

Die wellenlängenstabilisierte Strahlung der Luftinterferenzstrecke kann teilweise ausgeblendet und für ein parallel dazu angeordnetes Längenmeßinterferometer als Strahlungsquelle verwendet werden. Beide Strahlungen können teilweise ausgeblendet und für ein heterodynes Längenmeßinterferometer gemischt werden, dessen einer Interferometerarm von einer frequenz- und der andere von einer wellenlängenstabilisierten Strahlung variierender Schwebungsfrequenz durchlaufen wird.

Anhand der beiliegenden Abb. 2 wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen refraktometrischen Meßanordnung für die Stabilisierung der Wellenlänge oder Frequenz, am Aufbau eines klassischen Interferometers beschrieben. Die Zahlen (1-15) bezeichnen das Refraktometer entsprechend der Abb. 1. Die zusätzlich angeordneten nicht polarisierenden intensitätsteilenden Prismen (48 und 49) koppeln einen Teil der Strahlungsintensitäten in die Strahlengänge von zwei klassischen Längenmeßinterferometern. Die Teilerprismen (22 und 23) lenken einen Teil der Strahlungsintensität über den Referenzarm mit den festen Tripelprismen (24 und 25) und über den Meßarm mit den beweglichen Tripelprismen (26 und 27) und vereinigen sie wieder auf den Meßdetektoren (30 und 31), die die passierenden Interferenzstreifen empfangen und einem Zähler mit Anzeige zuleiten. Das Interferometer mit den geraden Zahlen als Bezeichnung ist frequenzstabilisiert, dasjenige mit den ungeraden ist wellenlängenstabilisiert.

Es werden nachfolgend Längenmeßinterferometer mit je drei untereinander abhängigen Strahlenquellen anhand der beiliegenden Abb. 3 an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Die Zahlen (1-15) bezeichnen das Refraktometer entsprechend der Abb. 1. Die zusätzlich angeordneten nichtpolarisierenden intensitätsteilenden Prismen (48 und 49) koppeln einen Teil der Strahlungsintensitäten in die Strahlengänge von zwei heterodynen Längenmeßinterferometern. Im polarisationsoptischen Prisma (20 und 21) werden die orthogonal zueinander stehenden linearpolarisierten Strahlungen der Diodenlaser (4 und 16) bzw. (5 und 17) gemischt und gleichzeitig ein Streuanteil senkrecht zur Strahlungsrichtung über die Polarisatoren (32 und 33) auf die Referenzdetektoren (34 und 35) gelenkt, die die Schwebungsfrequenz empfangen und in die Referenzzähler (42 und 43) einzählen. Die Schwebungsfrequenz wird durch den Quarzoszillator (36) erzeugt, als Referenz in die Komparatoren (38 und 39) eingegeben, die sie mit den durch die Detektoren (34 und 35) gemessenen vergleicht und die Stromregelungen (18 und 19) der Diodenlaser (16 und 17) so beeinflußt, daß sie gleich groß ist.

In bekannter Weise werden die beiden Frequenzen durch die Polarisationsteiler (22 und 23) der Längenmeßinterferometer geteilt, über die Referenzarme von den festen Tripelprismen (24 und 25) und über die Meßarme von den verschiebbaren Tripelprismen (26 und 27) parallelversetzt reflektiert und wieder vereinigt. Nach Durchlaufen der Polarisation (28 und 29) interferieren die Strahlungen, werden von den Meßdetektoren (30 und 31) empfangen, in die Meßzähler (40 und 41) eingezählt, in den Komparatoren (44 und 45) mit den Zählinhalten der Referenzzähler (42 und 43) verglichen und die Differenzen in den Anzeigen (46 und 47) angezeigt. Das Interferometer mit den geraden Zahlen als Bezeichnung ist frequenzstabilisiert, dasjenige mit den ungeraden ist wellenlängenstabilisiert.

Die Auflösung der refraktometrischen Meßanordnung für den Brechungsindex der Luft zwischen den normalen atmosphärischen Bedingungen und dem Vakuum ist außerordentlich groß. Für eine Wellenlänge von 785 nm entsprechend 382,2 E 12 Hz und für (n - 1) = 3 E-4 ergibt sich eine Schwebungsfrequenz von N = 114,6 E 9 Hz.

Für einen Regelbereich von Δ n/n = 5 E-5 ergibt sich eine Bandbreite der Schwebungsfrequenz von Δ N = 19 E 9 Hz, das entspricht im Mittel einem Δ n/Δ N = 2,6 E-15.

Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, den Brechungsindex eines Mediums in einem geeigneten Refraktometer mit sehr hoher Auflösung zu messen und diese Frequenzmessung auf die Definition der Sekunde zurückzuführen, von der die Meter-Definition 1983 abgeleitet ist.

Eine Erhöhung der Genauigkeit der Messung des Brechungsindexes der Luft und seine Rückführbarkeit auf die Basiseinheiten Meter und/oder Sekunde sind die Voraussetzung für die Verbesserung der interferometrischen Längenmeßtechnik.

Durch die Vakuumkammer des Refraktometers kann die Frequenz der Strahlungsquelle stabilisiert werden für ein parallel geschaltetes Längenmeßinterferometer. Dadurch können Frequenzänderungen der Strahlungsquelle durch Alterung und ähnliche Erscheinungen kompensiert werden.

Mit der Luftkammer des Refraktometers als Referenz kann die Wellenlänge stabilisiert werden für ein parallel geschaltetes Längenmeßinterferometer.

Claims (7)

1. Heterodynes Verfahren zur refraktometrischen Messung des Brechungsindexes eines Mediums und/oder zur Stabilisierung der Wellenlänge oder der Frequenz mindestens einer kohärenten elektromagnetischen Strahlung,
dadurch gekennzeichnet,

• - daß in einem Refraktometer mit mindestens einer geschlossenen Vakuumkammer als Referenz und mindestens einer vom wellenlängenverändernden Medium durchflossenen Meßkammer je ein Interferometer aufgebaut wird, deren Meßstrecken, das sind die Kammerlängen, gleich lang sind und jedem eine kohärente Strahlungsquelle zugeordnet ist,
• - daß diese Strahlungsquellen untereinander optisch so gekoppelt sind, daß ihre Schwebungsfrequenz von einem Empfänger detektiert werden kann,
• - daß für jedes Interferometer mindestens zwei Empfänger so geschaltet sind,
• - daß sie die Interferenzerscheinung örtlich so fixieren und die Frequenz der kohärenten Strahlungsquelle so regeln,
• - daß die Anzahl der Interferenzen über beide Meßstrecken ganzzahlig ist und konstant bleibt,
• - daß das Verhältnis ihrer Anzahl zueinander bekannt ist und
• - daß das Verhältnis der Schwebungsfrequenz zur Trägerfrequenz das Maß für den Brechungsindex ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung der Grundbedingungen für die Messung die gleich große Anzahl von Interferenzerscheinungen in beiden Refraktometerkammern durch schrittweise Änderung der Frequenzen beider Strahlungsquellen erfolgt und dabei keine Änderung der Schwebungsfrequenz auftritt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung der Grundbedingungen für die Messung, das Verhältnis der ganzzahligen Interferenzerscheinungen in den beiden Refraktometerkammern durch schrittweise Änderung der Frequenzen beider Strahlungsquellen erfolgt und dabei eine definierte Änderung der Schwebungsfrequenz auftritt.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalibrierung der Grundbedingungen für die Messung, das Verhältnis der ganzzahligen Interferenzerscheinungen in den beiden Refraktiometerkammern durch schrittweise Änderung der Frequenz einer der beiden Strahlungsquellen gegenüber der anderen erfolgt und die dabei auftretenden Änderungen der Schwebungsfrequenz ein Maß für den zur Zeit der Messung herrschenden Brechungsindex des wellenlängenverändernden Mediums und des Verhältnisses der Anzahl von ganzzahligen Interferenzerscheinungen in den beiden Kammern ist.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Refraktometerkammern so gewählt ist, daß innerhalb des angenommenen Meßbereiches keine ganzzahlige Änderung der Interferenzerscheinungen in der Meßkammer auftreten kann.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die mit der Vakuumkammer als Referenz stabilisierte Strahlungsquelle mindestens ein frequenzstabilisiertes Längenmeßinterferometer angeschlossen wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 5 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß an die mit der Meßkammer als referenzstabilisierte Strahlungsquelle mindestens ein wellenlängenstabilisiertes Längenmeßinterferometer angeschlossen wird.