DE3930273A1 - Messinterferometer, das mit dem licht eines lasers versorgt wird, welcher mit laserdioden angeregt ist - Google Patents

Description

In der Längenprüftechnik werden immer höhere Genauigkeiten gefordert. Dies hat dazu geführt, daß in zunehmendem Maße neben inkrementalen Meß­ systemen mit Glasmaßstäben auch Interferometer Eingang in die Längen­ prüftechnik finden. Hauptsächlich kommen Interferometer nach dem Mi­ chelson′schen Prinzip zum Einsatz. Dieses Prinzip ist für Meßinterfero­ meter besonders geeignet, denn es ist relativ einfach aufgebaut. Die erforderlichen Bauteile, der Laser als Lichtquelle, optische Strahl­ teiler, Bauteile zur Strahlumlenkung und Vereinigung, Reflektoren (Tri­ pelspiegel), optoelektronische Bauteile zur Meßwerterfassung, stehen in ausreichender Präzision zu günstigen Kosten zur Verfügung.

Interferometer nach dem Michelson′schen Prinzip kommen als in sich ge­ schlossene Meßsysteme zum Einsatz, z.B. zum Einrichten und Kalibrieren von Werkzeugmaschinen und Mehrkoordinaten-Meßmaschinen. Neuerdings werden Laser-Interferometersysteme in Meßmaschinen und klei­ nere Meßgeräte als geräteeigene Meßsysteme integriert.

Bisher kamen hauptsächlich als Lichtquellen Laser, welche mit Blitz- oder Bogenlampen angeregt sind, zur Verwendung. Nachteilig für den Ein­ bau von solchen Systemen ist die sperrige Bauweise und das hohe Gewicht einerseits, andererseits benötigen solche Festkörper-Laser bisher sehr starke Lichtquellen um die erforderliche Pumpleistung zu erzielen. Das Licht der Pump-Lampen wird nur unzureichend für die Anregung ausge­ nützt, der größte Teil geht als Wärme verloren und muß durch störende und aufwendige Kühleinrichtungen abgeführt werden. Schließlich ist auch die hohe Spannung, mit denen die Lampen betrieben werden müssen, stö­ rend. Die kurze Lebensdauer verursacht hohe Betriebskosten.

Neuerdings werden auch Halbleiterlaser als Lichtquellen für Meßinter­ ferometer eingesetzt. Ihr Vorteil ist die kleine Bauweise und die ge­ ringe Spannung für ihren Betrieb.

Die Wellenlänge des Lichtes von Laserdioden ist stark abhängig von der Temperatur und von der momentanen Lichtleistung. Außerdem emmitieren Laserdioden im Betriebstemperaturbereich Licht mit undefinierten, sich sprunghaft ändernden Wellenlängen. Man versucht dies undefinierte Ver­ halten durch variieren der Temperatur zu stabilisieren. Dies gelingt je­ doch, bedingt durch die Trägheit der Kühleinrichtungen, nicht zuverlässig mit der eigentlich notwendigen Geschwindigkeit. Man behilft sich, indem man das Strahlungsverhalten jeder einzelnen Laserdiode in Versuchsreihen erkundet und bestimmte Parameter für die Stabilisierung der Wellenlängen festlegt. Durch die kleine Bauweise der Laserdioden ist es möglich diese bereits in optische Bauteile zu integrieren (Integrierte Optik).

Lichtquellen liefern gemeinhin Photonen verschiedener Frequenz und Pola­ risation. Voraussetzung für die Bildung von Interferenzen ist, daß die Photonen des Lichtstrahls unabdingbare feste Phasenbeziehung aufwei­ sen. Die Strecke der festen Phasenbeziehung ist von der Frequenz-Band­ breite abhängig. Sie wird als Kohärenzlänge bezeichnet.

Die Kohärenzlänge bestimmt bei einem Meßinterferometer die Meßspanne. Diese beträgt bekanntermaßen Kohärenzlänge/2.

Die Kohärenzlänge von bekannten Festkörper- oder Gaslasern, welche mit Blitz- oder Bogenlampen gepumpt sind, kann sehr groß sein und bis zu 20 und mehr Meter betragen. Halbleiterlaser haben wesentlich geringere Kohärenzlängen. In der Literatur werden bis zu 300 mm angegeben.

Zweck der Erfindung ist es ein Interferometer-System für dimensionelle Messungen zu schaffen, welches die Vorteile der energiereicheren und damit leistungsfähigeren Festkörper- oder Gaslaser, die mit aus Blitz- oder Lichtbogenlampen kommenden Lichtquanten angeregt werden, bewahrt. Die Nachteile dieser Laser-Kategorie, die, wie schon dargestellt, den meßtechnischen Einsatz behindern, sind zu vermeiden. Gleichfalls sollen die Vorteile der mit Halbleiter-Laserdioden betriebenen Interferometer­ systeme, nämlich die kleine Bauweise und die geringen Speisestromspan­ nungen, adaptiert werden.

Es wird erfindungsgemäß ein Interferometer-System nach Michelson be­ schrieben, welches auf einem sogenannten Festkörperlaser beruht der mit Halbleiterlaser (Laserdioden) angeregt wird.

Weit verbreitet ist der Neodym-Festkörperlaser. Er strahlt infrarotes Licht mit 1064 Nm Wellenlänge ab und wird in vielen Bereichen der Fein­ werktechnik, Medizin und Forschung eingesetzt.

Es ist gelungen, solche Festkörper-Laser, an Stelle von Blitz- oder Bo­ genlampen, auch mit Halbleiter-Lasern, welche im Infrarotbereich emmi­ tieren, anzuregen. Als besonders leistungsfähig haben sich Halbleiter­ dioden aus Gallium-Arsenid herausgestellt.

Halbleiter-Laserdioden haben als Pumplichtquelle den Vorteil, daß ihr Licht bei richtig ausgewählter Wellenlänge von einem Festkörperkristall besonders stark absorbiert wird. Damit kann das Licht aus der Laserdiode mit hohem Wirkungsgrad in Licht einer anderen Wellenlänge umgewandelt werden. Es entsteht dadurch weniger Verlustwärme.

Ein Nachteil der Laserdioden ist die Lichtbeugung beim breiten Austritt aus der Stirnfläche des Diodenkörpers. Durch das Pumpen des Festkörper­ stabes läßt sich das Licht in einen eng gebündelten Strahl mit einem sehr schmalen Frequenzband umsetzen.

Werden an Stelle eines Neodym-Kristalles andere, nicht lineare Kristalle verwendet, läßt sich die Frequenz des Laserlichtes verdoppeln. Durch weiteres Optimieren der Kombination Pump-Dioden und Laserkristalle können Systeme mit hoher Leistungsdichte und ausreichend großen Kohärenz­ längen geschaffen werden.

Ein weiterer Vorteil von Laserdioden als Lichtquantenquelle ist die ge­ ringe Betriebsspannung von wenigen Volt. Die kleine Bauweise von nur we­ nigen Zentimetern gestattet den Einbau in kleinen Meßanordnungen. Laserstäbe von wenigen Millimetern Länge, die mit Laserdioden angeregt sind, bringen schon ausreichende Leistungen.

Schließlich ist es möglich, einen Laserstab mit mehreren Laserdioden zu pumpen, dadurch erhöht sich die Ausfallsicherheit für das Gesamtsystem, und die Kosten für relativ große Pumpleistungen bleiben gering. Vorteilhaft ist die lange Lebensdauer der Laserdioden im Verhältnis zu den Blitz- und Lichtbogenlampen.

In Meßinterferometer-Systemen ist die Lichtquelle das Längennormal. Auch aus meßtechnischen Gründen ist die Lichtwellenlänge konstant zu halten. Schließlich ist dies auch für die Interferenzbildung unabding­ bar.

Trotz geringer Wärmebildung im Gesamtsystem sind Vorkehrungen zu treffen, um die Temperatur im System konstant zu halten. Dies kann durch eine ge­ eignete Anordnung von Peltierelementen an den Laserdioden geschehen.

Interferometersysteme nach Michelson für die Prüfung von Dimensionen wurden in der einschlägigen Literatur schon häufig beschrieben, z. B. VDI-Berichte 548 VDI-Verlag, und sind Stand der Technik, darum kann auf eine ausführliche Beschreibung verzichtet werden.

Neu ist erfindungsgemäß für Interferometer-Systeme, die sich zum Messen von Längen und Bewegungen eignen, daß ein Festkörperlaser mit Laserdioden angeregt wird.

Der Meßstrahl als Maßverkörperung und als Mittel zur Erzeugung von Hell- Dunkel-Übergängen (Interferenzen) wird durch Luftdruck, Temperatur und Luftfeuchtigkeit gestört, d.h., die Frequenz kann sich durch physikali­ sche Einwirkungen verändern und die Genauigkeit des Meßsystems vermindern. Durch die Anordnung von halbdurchlässigen Spiegeln im Laserstrahl ist es möglich Teilstrahlen zu erzeugen, und diese Teilstrahlen einem oder mehre­ ren Interferometern zuzuführen. Diese Bezugsinterferometer sollen eben­ falls nach dem Michelson′schen Prinzip arbeiten.

Wenn der erfindungsgemäß erzeugte Laserstrahl teilweise ausgekoppelt und einem Michelson′schen Bezugsinterferometer mit feststehendem Reflektor für den Meßstrahl zugeführt wird, kann der Laser so ausgeregelt werden, daß physikalische Störungen des Bezugsmeßstrahles zur Korrektur des Hauptmeßstrahls verwendet werden. Das Maß für die Korrektur sind die möglichen Hell-Dunkel-Übergänge im Bezugsinterferometer. Mit diesen Korrek­ tursignalen wird die Stromversorgung der Pumpdioden gesteuert. Es be­ steht aber auch die Möglichkeit, durch Temperaturänderungen Resonatoren am Laserkristall zu verändern, indem durch geeignete Mittel die Steue­ rung der Resonatorflächen variiert werden.

Fig. 1 gibt einen schematischen Überblick über das Meßinter­ ferometer mit Dioden-gepumptem Festkörperlaser: Laser mit vier symmetrisch angeordneten Pumpdioden (1), optische Einkoppelanordnung des Laserstrahls (2), dabei kann es sich auch um die Einkoppelung in ein in­ tegriertes optisches System handeln, bei dem alle opti­ schen Bauteile wie teildurchlässige Spiegel, Strahltei­ ler und Elemente für die Strahlüberlagerung, in einem Substrat angeordnet sind.

Der halbdurchlässige Spiegel (3) koppelt einen Teil­ strahl aus dem Laserstrahl zur Versorgung des Bezugs­ interferometers aus. Im optischen Bauteil (5) wird ein Meßstrahl (7) und ein Referenzstrahl erzeugt. Der Meßstrahl wird im Tripelspiegel (6) reflektiert und durch Umlenkung im optischen Bauteil (5) mit dem im Spiegel (9) reflektierten Teilstrahl zur Interfe­ renz gebracht.

Die Hell-Dunkel-Übergänge werden im Empfänger (8) zur Korrektur des Meßstrahls (11) ausgewertet. Der Hauptlaser­ strahl wird im Zweistrahlteiler (10) in den Hauptmeß­ strahl (11) und den Referenzstrahl (13) geteilt. Nach Re­ flektion im beweglichen Tripelspiegel (12) wird der Meß­ strahl mit dem Referenzstrahl (13) vereinigt und zur In­ terferenz gebracht. Die Hell-Dunkel-Übergänge werden in bekannter Weise in den Empfängern (14) aufbereitet. Die Korrektursignale aus den Empfängern (8) werden den Emp­ fängern (14) und der Auswerteelektronik (15) zugeführt.

Fig. 2 zeigt die beispielsweise Anordnung eines erfindungsge­ mäßen interferometrischen Meßsystems in einem Einachs- Meßgerät für hochpräzise Messungen.

Das Interferometer mit dem mit Laserdioden gepumpten Festkörper-Laser (1) ist im Gerätebett (2) angeordnet. Der Meßschlitten (3) hat einen Ansatz (4), welcher durch eine Nut im Gerätebett hindurchragt. An diesem Ansatz (4) wird der Reflektor (5) (Tripelspiegel) für den Meßstrahl (6) befestigt. Der Bezugsstrahl (7) wird unmittelbar neben dem Meßstrahl (6) geführt und im Spie­ gel (8) reflektiert und im optischen Bauteil (1) zur Interferenz gebracht. Bei dieser räumlichen Anordnung sind Meßstrahl und Bezugsstrahl gleichen physikalischen Einflüssen ausgesetzt.

Fig. 3 zeigt eine andere Anwendung des in den Ansprüchen eins bis fünf beschriebenen Interferometers. Es handelt sich um einen optischen Tastkopf, welcher nach dem Trian­ gulationsprinzip arbeitet. Es ist technischer Stand, daß solche Tastköpfe mit Laserdioden betrieben werden; mit dem Nachteil, daß die Intensität des Lichtes schwankt; das Strahlprofil der Laserdioden ändert sich nämlich mit dem Betriebsstrom und außerdem haben Laser­ dioden einen hohen Grundanteil an spontaner Emission. Im Gehäuse (1) ist der diodengepumpte Laser (2) angeordnet. Der Lichtstrahl (3) trifft auf die Prüf­ ebene (4) oder (4a), der Pfeil weist auf die Verschie­ bung der Prüfebene hin. Der reflektierte Laserlicht­ strahl (5), (6) trifft auf den lichtempfindlichen Emp­ fänger (7). Der lichtempfindliche Empfänger (7) kann eine positionsempfindliche Diode oder ein Dioden-Array sein. Ziffer acht deutet die Stromversorgung mit La­ serregelung und die Signalauswertung an.

Claims (5)

1. Interferometer-Meßsystem nach dem Michelson′schen Prinzip zum Ein­ bau in Maschinen, Vorrichtungen und Geräten, welche zum Vermessen von Längen und Verschiebungen verwendet werden, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer mit einem Festkörper-Laser betrieben wird, der durch eine Laserdiode ange­ regt ist.

2. Interferometer-Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zum Anregen des Festkörperlasers mehrere Laserdioden verwendet werden.

3. Interferometer-Meßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß über einen Regelkreis die Anregung des Feststofflasers gesteuert wird.

4. Interferometer-Meßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Regelkreis ein weite­ res Interferometer, welches aus derselben Laserlichtquelle ver­ sorgt wird und das einen feststehenden Reflektor hat, einbezo­ gen wird, und daß dieses Bezugsinterferometer Signale zur Fre­ quenzstabilisierung des Hauptmeßstrahles liefert.

5. Interferometer-Meßsystem nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß neben dem Strom (Spannung) auch die Temperatur des Lasers geregelt wird.