DE3918811A1 - Heterodynes interferometer - Google Patents

Description

Für die interferometrische Längenmeßtechnik haben sich hetero­ dyne Meßverfahren als besonders anwendungsfreundlich und ein­ fach gegenüber den klassischen Methoden erwiesen.

Die optische Wellenleitertechnik ist eine Technologie, bei welcher in ein Substrat, meist Glas, partiell Salze in die Oberfläche ein­ diffundiert werden, so daß optische Leiterbahnen entstehen mit einem gegenüber dem Substrat unterschiedlichen Brechungsindex. Die optische Leitung in den Leiterbahnen erfolgt aufgrund der Totalreflektion wie in den bekannten Glasfasern. Diese Techno­ logie hat gegenüber der klassischen Optik und der Lichtleitung durch Glasfasern Vor- und Nachteile, die hauptsächlich durch das Verfahren bestimmt werden.

Vorteile sind in der sehr kleinen Bauweise zu erkennen, in Verbindung mit der Glasfasertechnologie und den sehr kleinen Diodenlasern als Strahlungsquelle. Strahlenteilung, -zusammen­ führung und -mischung lassen sich einfacher ausführen als mit anderen bekannten optischen Methoden. Nachteile treten meist dann auf, wenn der optische Strahlengang aus dem Substrat heraus- oder hineingeführt werden muß und dabei eine Weg­ strecke in Luft durchsetzt. An diesen Übergängen treten in­ folge des kleinen Querschnittes der Leiterbahnen (0,1 mm ty­ pisch) große und unsymmetrische Beugungen auf, die für die interferometrische Anwendung anamorphotische Linsensysteme er­ fordern. Da der interferometrische Strahlengang sich aus Strah­ lenteilung und -zusammenführung aufbaut, ist es für die opti­ sche Wellenleitertechnologie gut geeignet. Klassische Inter­ ferometer sind in dieser Technologie vorgeschlagen worden zum Messen von Temperaturen und Drücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein heterodynes In­ terferometer zur Längen- und Entfernungsmessung mittels ko­ härenter elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß es in der Wellenleitertechnik integrierter optischer Schaltkreise aufge­ baut ist und mindestens zwei elektromagnetische Strahlungs­ quellen unterschiedlicher Frequenz eingekoppelt, vor und nach dem Interferometer gemischt und die gemischten Schwebungsfre­ quenzen getrennt ausgekoppelt werden.

Im folgenden wird anhand der Abbildung ein Aus­ führungsbeispiel für ein heterodynes Interferometer in Wellen­ leitertechnologie beschrieben.

Es zeigt die Abb. 1 die feste Wellenleiterplatte (1) und die bewegliche Wellenleiterplatte (2) mit dem Meßstrahlen­ gang (9). Beide Platten überdecken sich mit den Flächen, auf denen die Wellenleiter aufgebracht sind, zueinandergekehrt, sie sind gegenseitig justiert und die Bewegung erfolgt in Richtung der Wellenleiter (9) so, daß eine optische Kopplung von Platte (1) in Platte (2) ermöglicht wird. Gegebenenfalls kann die Kopplung durch Auftragen von Inversionsöl zwischen den Platten verstärkt werden. Die Strahlung der Diodenlaser mit der Frequenz f ₁ (4) und f ₂ (3) werden in die Platte (1) eingekoppelt und in die Leiterwege (8-9-10) und (13-14) geteilt. Die Leiterwege (10-11-13) verlaufen parallel und so nahe nebeneinander, daß eine Mischung der Frequenzen f ₁ und f ₂ aus den Leitern (10) und (13) in den Leiter (11) so er­ folgt, daß darin die Schwebungsfrequenz entsteht, die vom Planspiegel (12) in sich zurückreflektiert und von der Foto­ diode (5) detektiert wird. Diese Schwebungsfrequenz ist die Re­ ferenzfrequenz des heterodynen Interferometers. Die Frequenz f ₁ (4) durchsetzt den Leiter (9) auf der Platte (1), wird in die Platte (2) eingekoppelt am Planspiegel (18) umgelenkt und wie­ der in die Platte (1) zurückgekoppelt, wo sie mit den Leitern (16) und (14) parallel verläuft, so daß im Leiter (16) die Mi­ schung zur Meßfrequenz aus den Frequenzen 1 und 2 erfolgt, die von der Fotodiode (6) des Meßdetektors empfangen wird. Wird die Platte (2) des Interferometers bewegt, so ändert sich die Frequenz f ₁ im Leiter (9) infolge Doppler-Effektes und da­ mit die Schwebungsfrequenz im Leiter (16). Die Änderung die­ ser gegenüber im Leiter (11) ist das Maß für die Längenände­ rung der Platte (2) gegenüber der Platte (1). In bekannter Weise werden die beiden Schwebungsfrequenzen je einem Zähler zugeführt, die durch einen Komparator untereinander verbunden sind, der die Differenz der Zählinhalte als Längenmeßresul­ tat anzeigt.

Die Diodenlaser als Strahlenquellen und die Fotodioden als Detektoren können auch über Glasfaserleitungen in den inte­ grierten optischen Schaltkreis ein- und ausgekoppelt werden.

Eine Auskopplung des Meßstrahles (9) aus dem integrierten op­ tischen Schaltkreis in Luft und eine Wiedereinkopplung kann durch klassische optische Bauelemente, wie Objektive oder durch Beugungsgitter erfolgen, welche im Schaltkreis integriert sind. Bei einem solchen Aufbau würde die Wellenleiterplatte (2) durch ein Tripelprisma ersetzt werden, welches über die Meßstrecke bewegt wird.

Der Leiterweg (8) führt die Frequenz f ₁ in ein externes Fabry- P´rot Interferometer zur Stabilisierung der Wellenlänge des Diodenlasers (4). Am Ausgang des Fabry-P´rot Interferometers sind zwei Fotodioden (7) in Differentialschaltung angebracht, die den Interferenzring einfangen und die Frequenz des Dioden­ lasers durch Steuerung des Injektionsstromes so regeln, daß die Wellenlänge auf der Meßstrecke konstant bleibt.

Für den Fall, daß die Meßstrecke in einer bewegten Glas­ platte (2) verläuft, besteht der Resonator des Fabry-P´rot Interferometers aus dem gleichen Material und kompensiert die Änderungen des Brechungsindexes dieses Materials infolge Tem­ peraturänderungen und der daraus folgenden Änderung der opti­ schen Weglänge bzw. der Wellenlänge. In Abb. 1 stellt die planparallele Glasplatte (19) mit den Spiegeln (20, 21) das Fabry-P´rot Interferometer dar.

Für den Fall, daß die Strahlung die Meßstrecke in Luft (Abb. 2) durchläuft, muß das Fabry-P´rot Interferometer mit Luftabstand ausgeführt werden, wobei die Abstandsplatten (22) zwischen den Spiegeln aus einem Material bestehen müssen, welches unabhängig ist von den Parametern, die den Brechungs­ index der Luft beeinflussen.

In Abb. 2 stellen die Platten (22) den Luftabstand zwi­ schen den Spiegeln her. Die Luftführung zwischen den Platten sollte so gestaltet werden, daß sie dem Zustand auf der Meß­ strecke entspricht. Die Meßstrecke verläuft bei dieser Varian­ te in Luft. Der Meßstrahl wird durch das Objektiv (23) aus dem Lichtleiter ausgekoppelt, durchsetzt das bewegliche Tripel­ prisma (24) und wird durch das zweite Objektiv (25) wieder in die Lichtleiterbahn eingekoppelt.

Der zweite Diodenlaser (3) wird zweckmäßigerweise mit einer konstanten Differenzfrequenz gegenüber dem wellenlängenstabi­ lisierten (4) nachgeführt. Dazu kann ein Quarzoszillator als Referenz verwendet werden, der den Diodenlaser (3) so regelt, daß die Referenzfrequenz des Detektors (5) konstant bleibt.

Der integrierte optische Schaltkreis kann auch so ausgebildet werden, daß mehrere Interferometer in mehreren Achsen ange­ ordnet werden.

Zum Schutz gegen Verschmutzung können zwei spiegelbildlich in­ tegrierte optische Schaltungen mit den Leiterbahnen übereinan­ der gekittet werden. Der optische Kitt kann dabei mit seinem Brechungsindex auf denjenigen der Leiterbahnen abgestimmt wer­ den. Dadurch wird außerdem erreicht, daß das halbkreisförmige Leiterprofil gerundet und für das Ein- und Auskoppeln in Glas­ fasern oder klassische optische Komponenten besser geeignet wird.

Der technische Fortschritt eines heterodynen Interferometers in optischer Wellenleitertechnik ist vielfältig:
Durch die Verwendung von zwei getrennten Strahlungsquellen kann die Differenzfrequenz innerhalb eines breiten Spektral­ bereiches beliebig eingestellt werden, während man bei her­ kömmlichen bekannten heterodynen Interferometern mit He-Ne Gaslasern an die Resonatordaten zur Erfüllung der Vorausset­ zungen gebunden ist. So kann man im gleichen Schaltungsaufbau die Methoden der

• Wegmessung und der
• Entfernungsmessung

verwirklichen, wobei für die Entfernungsmessung die Hilfsfre­ quenzen für die Grobmessung sowohl

• stufenweise als auch
• kontinuierlich

eingestellt werden können.

Die Einstellung des Frequenzabstandes für die Wegmessung er­ laubt es, das Interferometer bei der Anwendung im Maschinenbau den jeweiligen Anforderungen an die Vorschubgeschwindigkeiten der Maschinen anzupassen, da der Frequenzabstand der für die Meßgeschwindigkeit begrenzende Faktor ist.

Durch die Verwendung integrierter optischer Wellenleiter ist die Mischung von Frequenzen zu Schwebungsfrequenzen sehr ein­ fach und erfordert keine spezifischen Eigenschaften der Strah­ lungsquellen, wie das bei bekannten heterodynen Interferometern der Fall ist, bei denen vorausgesetzt wird, daß die einzelnen Frequenzen (Moden) unterschiedliche optische Eigenschaften, wie zum Beispiel lineare Polarisation mit orthogonaler Ausrich­ tung haben. Solche Voraussetzungen können mit dem Diodenlaser nicht verwirklicht werden, anderseits ist es durch seine Klein­ heit die bevorzugte Strahlungsquelle für integrierte optische Wellenleiter, wodurch sich Interferometer verwirklichen lassen von einigen Zentimetern Kantenlänge.

Instrumenten solcher Abmessung stehen praktisch alle Anwen­ dungsgebiete offen, vom Miniaturtaster bis zum Entfernungs­ messer mit Meßbereichen von Submikrometer- bis in den Kilo­ meterbereich.

Claims (2)

1. Heterodynes Interferometer zur Längen- und Entfernungs­ messung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Wellenleitertechnik integrierter optischer Schaltkreise aufgebaut ist und min­ destens zwei elektromagnetische Strahlungsquellen unter­ schiedlicher Frequenz eingekoppelt, vor und nach dem Inter­ ferometer gemischt und die gemischten Schwebungsfrequenzen getrennt ausgekoppelt werden.

2. Heterodynes Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, die die Wellenlänge oder Frequenz mindestens einer kohärenten Strahlungsquelle stabilisieren.