DE4114407A1 - Verfahren und anordnung zur bestimmung und fixierung der luftwellenlaenge einer lichtquelle - Google Patents

Verfahren und anordnung zur bestimmung und fixierung der luftwellenlaenge einer lichtquelle

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Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Luftwellenlänge einer Lichtquelle mit einem Stabilisierungs- Regelkreis, der eine Mehrdeutigkeit mit bestimmten Sprüngen aufweist. Ferner betrifft sie eine Anordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 2.
Interferometrische Längenmessungen in Luft sind sehr genau, wenn die Laserwellenlänge in Luft genau bekannt ist.
Dazu ist die Laserwellenlänge in Luft zu stabilisieren, was durch Frequenzänderung (bzw. Änderung der Vakuumwellenlänge) des Lasers möglich ist.
Luftgefüllte Fabry-Perot-Interferometer sind geeignete Mittel dazu. Es gibt dabei jedoch sehr viele Transmissionsmaxima, d. h. eine Mehrdeutigkeit der Stabilisierung. Es ist daher erforderlich, das Transmissionsmaximum, auf das stabilisiert wird, zu kennen.
Die Änderungen von Druck, Temperatur und Feuchtigkeit unter gewöhnlichen Umgebungsbedingungen bedingen Brechzahländerun­ gen der Luft und damit nötige Frequenzverschiebungen zur Einhaltung einer festen Luftwellenlänge, die größer sind als der Durchstimmbereich typischer Laserdioden und Festkörper­ laser, z. B. Nd-YAG-Laser.
Dem kann begegnet werden durch Springen zu verschiedenen Transmissionsmaxima des Fabry-Perot-Interferometers je nach Umgebungsbedingungen. Das gerade benutzte Transmissionsmaxi­ mum und damit die Wellenlänge muß jedoch bekannt sein.
Während eines Meßlaufs kann dies durch Zählen der Sprünge geschehen. Beim Einschalten ist dies jedoch ein Problem.
Bekannte Lösungen - M. Kerner, Feinwerktechnik + Meßtechnik 87 (1979), 8 (Fig. 10), EP-OS 00 94 709, DE-OS 39 11 472 verwenden zur Überwindung der Mehrdeutigkeit ein zweites Fabry-Perot-Interferometer anderer Finesse. Auch WO 90/11 492 sieht dazu ein gesondertes Wellenlängenmeßsystem vor.
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE P 40 39 371.2 des gleichen Anmelders sind Probleme und Lösungen der Stabilisierung der Vakuumwellenlänge mit evakuierten Fabry-Perot-Interferometern bekannt.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, gattungsgemäße Verfahren und Anordnungen zu vereinfachen und Kalibrier- und Betriebsverfahren dazu anzugeben.
Die Verfahrenslösung gelingt mit den Merkmalen des Anspruches 1, wonach zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit ein Grobwert der Luftwellenlänge aus thermodynamischen Parametern (TL, p, rF) der Umgebungsluft und bedarfsweise von Teilen des Regelkrei­ ses bestimmt wird, aus diesem Grobwert durch Rundung eine Zahl (N) von Sprüngen (FSR) bestimmt wird und mit dieser Zahl (N) von Sprüngen (FSR) die exakte Luftwellenlänge (λL) fest­ gelegt wird.
Eine geeignete Anordnung wird mit dem Kennzeichen des Anspru­ ches 2 erhalten. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche 3 bis 7.
Ein zugehöriges Kalibrierverfahren ist Gegenstand des Anspru­ ches 8, wonach zusätzlich Geber und Speicher für die Körper­ temperatur des Fabry-Perot-Interferometers und/oder für die Temperatur des Lasers und/oder für die Luftfeuchtigkeit im Volumen des Interferometers vorgesehen sind und im Rechner zur Berechnung des Näherungswerts der Luftwellenlänge heran­ gezogen werden.
Verfahren zum Einschalten zum Normalbetrieb sind Gegenstand der Ansprüche 9 bis 12. Verfahren zum Betrieb sind Gegenstand der Ansprüche 13 bis 14.
Näher erläutert wird die Erfindung mit Hilfe der Zeichnung.
Fig. 1 zeigt in schematischer Übersicht eine Fabry-Perot- stabilisierte Laserlichtquelle an einem Interfero­ meter.
Die Hauptelemente der Anordnung nach Fig. 1 sind die Laser­ diode (1), das von dieser beleuchtete Interferometer (2), das Fabry-Perot-Interferometer (3) zur Wellenlängenstabilisie­ rung, der Rechner (4) und die nur einmalig oder nach größeren Nutzungsintervallen benötigte Kalibriereinrichtung (5).
Die Laserdiode (1) ist mit einem Temperaturfühler (101) und einem Peltierelement (102) ausgestattet, mit denen eine Regelung (103) die Laserdiodentemperatur konstant hält. Den Betriebsstrom (i) liefert eine Stromversorgung (130).
Ein Teil des Lichtstrahls von der Laserdiode (1) zum Inter­ ferometer (2) wird durch Spiegel (303) ausgekoppelt und durch das Fabry-Perot-Interferometer (3) auf eine Fotodiode (301) bzw. auf die Referenzdiode (302) gerichtet. Die Ausgänge der Fotodioden (301) und (302) sind mit einem PI-Regler (305) verbunden, der auf die Stromversorgung (130) der Laserdiode (1) wirkt.
In bekannter Weise wird so die Stabilisierung der Wellenlänge (λL) im Luftraum (230) des Interferometers (2) erreicht, wozu eine Öffnung (320) im Gehäuse des Fabry-Perot-Interfero­ meters (3) und dessen Anordnung im Luftraum (230) des Inter­ ferometers (2) sicherstellt, daß die Luft im Fabry-Perot- Interferometer (3) und im Interferometer (2) im thermodyna­ mischen Gleichgewicht steht und gleichen Brechungsindex hat.
Damit ist aber die absolute Größe der Wellenlänge (λL) noch nicht bekannt und der Regelbereich für die Frequenz ist zu eng, um die gewöhnlichen Schwankungen des Brechungsindex im Luftvolumen (230) des Interferometers (2) bei Laborbedingun­ gen kompensieren zu können.
Erfindungsgemäß werden daher im Luftvolumen (230) des Interferometers (2) Sensoren für den Luftdruck p (201), die Lufttemperatur TL (202) und optional für die relative Luftfeuchtigkeit rF (203) angeordnet. Wegen der thermischen Trägheit des Gehäuses kann ein weiterer Sensor für die Temperatur TF (304) des Fabry-Perot-Interferometers (3) an diesem angebracht werden.
Die Meßwerte der Sensoren (201, 202, 203, 304) und die Größe des Laserdiodenstroms i der Stromversorgung (130) werden auf die Eingänge (401) des Rechners (4) geführt.
Nur zur ersten Inbetriebnahme und bei Bedarf zur Neukalibrie­ rung nach längerer Betriebsdauer oder nach Änderungen des Aufbaus wird die Kalibriereinrichtung (5) mit der Laserlicht­ quelle verbunden.
Mit einem Teilerspiegel (501) wird ein Teil des Laserlichts auf einen Vakuumwellenlängendetektor (502) geleitet, der z. B. ein Wavemeter, das die Wellenlänge mit einer kalibrierten Referenz vergleicht, sein kann. In das Luftvolumen (230) des Interferometers (2) wird ein Detektor (204) für die Brechzahl nL eingebracht, insbesondere ein Refraktometer.
Alternativ kann auch in ein zur Längenmessung ausgelegtes Interferometer (2) ein Längennormal eingebracht werden und aus dem Meßwert kann der Absolutwert der Luftwellenlänge λL bestimmt werden.
Weiter wird in bekannter Weise der freie Spektralbereich FSR des Fabry-Perot-Interferometers (3) bestimmt. Der Regelkreis (1, 3, 305, 130) zur Luftwellenlängenstabilisierung wird eingebracht und die Startwerte iO des Laserdiodenstroms und TLdo der Laserdiodentemperatur werden von der Kalibrierein­ richtung (5) erfaßt, ebenso wie die Startwerte der Sensoren (201, 202, 203) im Luftvolumen (230) und des Temperatursen­ sors (304) am Fabry-Perot-Interferometer (3), z. B. über die Eingänge (401).
Alle von der Kalibriereinrichtung (5) erfaßten Werte werden in einem Kalibrierspeicher (450) gespeichert. Die Meßwerte können aber auch zuerst im Rechner (4) ausgewertet werden und dann im Kalibrierspeicher (450) abgelegt werden.
Der Rechner (4) gibt beim Start der Anordnung Startwerte an die Temperaturstabilisierung (103) für die Temperatur TLD der Laserdiode (1) und an die Stromversorgung (130) für den Strom i der Laserdiode (1).
Er (4) verknüpft außerdem in einem Modul (420) die Roh- Meßwerte m/λL des Interferometers (2) mit dem bestimmten Wert der Luftwellenlänge λL zu dem kalibrierten genauen Meßwert m, der in beliebiger üblicher Weise angegeben wird. Das Interferometer (2) kann insbesondere zur Längenmessung ausgelegt sein, so daß die Meßwerte (m) Längen sind.
Durch Alterung verändern sich verschiedene Parameter der Anordnung, insbesondere die Strom/Wellenlängen-Kennlinie λ(i) der Laserdiode (1), so daß zu einer bestimmten Luftwel­ lenlänge λL im Lauf der Zeit veränderte Regelparameter gehören. Dem entsprechend wird in zeitlichen Intervallen ein Korrekturwert λA gebildet und in dem Korrekturspeicher (410) abgelegt. Bei einem Neustart der Anordnung wird dieser Kor­ rekturwert λA jeweils in die Bildung der Startwerte einbe­ zogen.
Beispielsweise wird eine handelsübliche Laserdiode (1) bei einer Vakuumwellenlänge λv von ca. 785 nm mit einem Strom i der Größenordnung 60 mA betrieben.
Der freie Spektralbereich FSR des Fabry-Perot-Interferometers (3) ist ca. 10 -5·L(λL Luftwellenlänge). Die Stromdifferenz iFSR, die zum Durchfahren eines freien Spektralbereiches FSR nötig ist, beträgt ca. 1 mA.
Als Regelparameter dient der Strom durch die Laserdiode (1). Bei der Inbetriebnahme der Laserdiode (1) wählt man einen Arbeitsbereich im Kennlinienfeld der Wellenlänge, der bei einer festen Temperatur liegt und einen Strombereich der Größe von etwas mehr als iFSR umfaßt. Dieser Arbeitsbereich sollte möglichst weit von Modensprüngen entfernt sein.
Das Einlocken des Regelkreises (1, 3, 301, 305, 130) ge­ schieht so, daß ein Lock innerhalb eines bestimmten vorgege­ benen Strombereiches gesucht wird. Dieser Bereich muß minde­ stens etwas größer als iFSR sein.
Zur Bestimmung der aktuellen Luftwellenlänge: Ist i der Strom, bei dem der Lock erfolgt, so ist die Vakuumwellenlänge der Laserdiode (1)
und die Luftwellenlänge beträgt
gL = λv/n (Gl. 2)
Die Koeffizienten dλv/di und dλv/dTL (typische Werte: 6 · 10-3 nm/A und 10-3 nm/K) wurden bei der Vermessung der Laserdiode (1) bzw. bei der Kalibrierung bestimmt. Der Brechungsindex n wird mit der Edlen-Formel näherungsweise berechnet, indem Meßwerte von TL, p und evtl. rF eingesetzt werden. Die so berechnete Luftwellenlänge λL muß eine Tranmissionswellenlänge des Fabry-Perot-Interferometers (3) sein. Diese Transmissionswellenlängen sind gegeben durch
Der Koeffizient dλL/dp beschreibt die Kompression des Fabry- Perot-Interferometers (3) auf Grund des Luftdrucks und kann aus dem E-Modul berechnet werden (Größenordnung: dλL/dp = 10-9 λ/hPa); dλL/dTF berücksichtigt die Wärmeaus­ dehnung des Fabry-Perot-Interferometers (3) (Größenordnung für diesen Wert: 2,5 · 10-7 · λ/K und kleiner nach Spezifikation von Zerodur. N muß eine ganze Zahl sein. Sie wird aus Gleich­ setzen von Gleichung (Gl. 2) und (Gl. 3) und durch gewöhnli­ che Rundung gewonnen. Im Idealfall ist die Rundung nicht nötig: in der Praxis fließen jedoch vor allem die Alterung der Laserdiode (1) und Meßgenauigkeiten beim Brechungsindex der Luft ein. Für die endgültige Angabe des Wertes der Luft­ wellenlänge wird die Gleichung (3) mit dem richtigen ganzzah­ ligen N herangezogen.
Zur Abschätzung der nötigen Meßgenauigkeit der einzelnen Parameter: Die Größenordnungen der Brechzahlkoeffizienten sind
dn/dTL = -10-6/K;
dn/dp = 3 · 10-7/hPa;
dn/drF = -10-8/%rF.
Weiterhin ist zu beachten, daß die Brechzahl durch Fremdgase unter schlechten Bedingungen, z. B. in Fertigungsräumen, um größenordnungsmäßig 1-2·10-6 erhöht werden kann. Da der Abstand der Transmissionsmaxima des Fabry-Perot-Interferome­ ters (3) einer Brechzahldifferenz von 10-5 entspricht, werden somit keine hochpräzisen Temperatur- (202, 304) und Drucksen­ soren (201) benötigt. Auf die Berücksichtigung der Luftfeuch­ tigkeit rF (203) kann in aller Regel sogar ganz verzichtet werden.
Damit werden typischerweise folgende Umweltsensoren benötigt:
  • - Druckmesser (201) mit einer Genauigkeit von ca. 1hPa;
  • - Luft-Thermometer (202) mit einer Genauigkeit von etwas weniger als einem Grad;
  • - Material-Thermometer (304) mit einer Genauigkeit, die von der thermischen Ausdehnung des Fabry-Perot-Interferome­ ters abhängt und bei Konstruktion aus Zerodur bei etwa einem Grad liegen sollte.
Solche Sensoren (201, 202, 304) sind handelsüblich, preiswert und zuverlässig. Die Einsparung gegenüber der Anordnung eines kompletten zweiten Fabry-Perot-Interferometers, wie im oben genannten Stand der Technik, ist also beträchtlich.
Wandert im Laufe der Zeit der Strom durch die Laserdiode (1) aus dem vorgegebenen Regelbereich heraus (z. B. durch Verände­ rung des Brechungsindexes der Luft), so kann er durch Ände­ rung um ganzzahlige Vielfache von iFSR und neues Einlocken wieder in diesen hinein gebracht werden. In einem solchen Fall kann N entweder vollkommen neu bestimmt werden oder die Änderung von N aus der vorgenommenen Stromänderung ermittelt werden.
Zur Berücksichtigung der Alterung der Laserdiode (1): Sie äußert sich in einem Offset λA der Vakuumwellenlänge, so daß aus Gl. (1) wird:
Aus der laufenden Stabilisierung heraus kann λv, A mit (Gl. 3) und (Gl. 2) bestimmt werden; λv enthält man aus (Gl. 1). Somit kann z. B. vor dem Abschalten λA bestimmt, im Korrekturspeicher (410) abgelegt und dieser Wert beim nächsten Einschalten verwendet werden. Bei der Bestimmung von N und λL wird dann (Gl. 4) anstelle von (Gl. 1) verwendet.
In dem beschriebenen Beispiel wird als Laser (1) eine Laser­ diode (1) verwendet. Eine weitere vorteilhafte Alternative ist die Verwendung eines Nd-YAG-Ringlasers. Diese Bauart ist durch Veränderung der Temperatursteuerspannung rund um λ=1064 nm verstimmbar. Der Regelbereich ist durch Moden­ sprünge begrenzt und etwa dreimal so groß wie der freie Spek­ tralbereich des oben genannten Fabry-Perot-Interferometers (3).
Für den Regelkreis geeignete Fabry-Perot-Interferometer (3) sind im oben genannten Stand der Technik beschrieben. Vor­ teilhaft ist ein konfokaler Aufbau mit Zerodur-Glaskeramik- Tragkörper und ausreichend großer Bohrung für freien Luftaus­ tausch.

Claims (14)

1. Verfahren zur Bestimmung und Fixierung der Luftwellenlänge (λL) einer Lichtquelle (1) mit einem Stabilisierungs-Regelkreis (1, 3, 301, 305, 130), der eine Mehrdeutigkeit mit bestimmten Sprüngen (FSR) auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung der Mehrdeutigkeit ein Grobwert der Luftwellenlänge aus ther­ modynamischen Parametern (TL, p, rF) der Umgebungsluft (230) und bedarfsweise von Teilen (3) des Regelkreises (1, 3, 301, 305, 130) bestimmt wird, aus diesem Grobwert durch Rundung eine Zahl (N) von Sprüngen (FSR) bestimmt wird und mit dieser Zahl (N) von Sprüngen (FSR) die exak­ te Luftwellenlänge (λL) festgelegt wird.
2. Fabry-Perot-stabilisierte Laserlichtquelle für Interfero­ meter (2) mit:
  • - Laser (1) mit mittels mindestens eines Regelparameters (i) über einen Frequenzbereich durchstimmbarer Frequenz
  • - Fabry-Perot-Interferometer (3) mit Luftfüllung (320) im thermodynamischen Gleichgewicht mit dem Volumen (230) des Interferometers (2) und mit einem freien Spektralbereich (FSR) der kleiner als der Regelbereich des Lasers (1) ist und mit einem Fotodetektor (301) an seinem Ausgang
  • - Regelkreis, der mittels des Fotodetektors (301) und der Regelparameter (i) des Lasers (1) die Luftwel­ lenlänge (λL) des Lasers (1) auf eine Stelle eines Transmissionsmaximums (N) des Fabry-Perot-Interferome­ ters (3) fixiert und bei Erreichen der Grenzen des Frequenzbereiches einen Sprung über den freien Spektralbereich (FSR) des Fabry-Perot-Interferometers (3) zu einem benachbarten Transmissionsmaximum (N+1, N-1) ausführt
  • - Geber und Speicher (450) für Luftdruck (201) und Temperatur (202) im Volumen (230) des Interferometers (2), für den oder die Regelparameter (i) und für die Summe der Sprünge zwischen Transmissionsmaxima (N)
  • - Rechner (4) zur
    • - Berechnung eines Näherungswertes der Luftwel­ lenlänge (λL) aus der Vakuumwellenlänge (λv), bestimmt durch die Regelparameter (i), und aus dem Brechungsindex, bestimmt nach der Edlen-Parame­ termethode aus den Werten von Luftdruck (p) und -temperatur (TL),
    • - Bestimmung der Ordnung des dem Näherungswert nächstliegenden Transmissionsmaximums (N),
    • - Bestimmung der genauen Luftwellenlänge (λL) aus der Ordnung des nächstliegenden Transmissions­ maximums (N) und dem bekannten Modenabstand des Fabry-Perot-Interferometers (3).
3. Laserlichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser (1) eine Laserdiode eingesetzt ist mit den Regelparametern Diodenstrom (i) und Diodentemperatur (TL).
4. Laserlichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Laser (1) ein Nd-YAG-Ringlaser eingesetzt ist mit dem Regelparameter Temperatursteuerspannung.
5. Laserlichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Fabry-Perot-Interferometer (3) konfokal aufgebaut ist.
6. Laserlichtquelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Diodentemperatur (101) festgehalten wird und der Regelkreis (1, 3, 301, 305, 130) den Diodenstrom (i) als Regelparameter nutzt.
7. Laserlichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich Geber und Speicher für die Körpertempera­ tur (304, TF) des Fabry-Perot-Interferometers (3) und/ oder für die Temperatur (101, TLD) des Lasers (1) und/oder für die Luftfeuchtigkeit (203, rF) im Volumen (230) des Interferometers (2) vorgesehen sind und im Rechner (4) zur Berechnung des Näherungswerts der Luftwellenlänge (λL) herangezogen werden.
8. Verfahren zur Kalibrierung einer Laserlichtquelle nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß im stabilisierten Betrieb zusätzlich gemessen werden
  • - zwei der Größen Frequenz des Lasers (1), Luftwellen­ länge (λL) der Laserlichtquelle, Brechungsindex (nL) der Luft im Interferometervolumen (230)
  • - der freie Spektralbereich (FSR) des Fabry-Perot-Inter­ ferometers (3)
  • - damit im Rechner (4) eine Funktion bestimmt und gespeichert wird zur Berechnung der Luftwellenlänge (λL).
9. Verfahren zum Einschalten nach vorherigem Ausschalten einer Laserlichtquelle nach mindestens einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein zum Ausschaltzeitpunkt gespeicherter Wert (λa) für die alterungsbedingte Verschiebung der Frequenz des Lasers (1) bei gleichen Regelparametern (i) in die Berechnung des Näherungswerts der Luftwellenlänge (λL) einbezogen wird.
10. Verfahren zur Kalibrierung einer Laserlichtquelle nach Anspruch 8 für ein Längenmeßinterferometer (2), dadurch gekennzeichnet, daß die Luftwellenlänge (λL) mittels eines Längennormals im Längenmeßinterferometer (2) bestimmt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Luft nach der Edlen-Formel aus Luftdruck (p), Temperatur (TL) und Luftfeuchtigkeit (rF) im Interferometervolumen (230) bestimmt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex der Luft mit einem Refraktometer gemessen wird.
13. Verfahren zum Betrieb einer Fabry-Perot-stabilisierten Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der genauen Luftwellenlänge (λL) im Rechner (4) in festen zeitlichen Intervallen wiederholt wird.
14. Verfahren zum Betrieb einer Fabry-Perot-stabilisierten Lichtquelle nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der genauen Luftwellenlänge (λL) im Rechner (4) bei vorbestimmten Änderungen der Signale der Geber (201-204, i, 304) wiederholt wird.
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