DE4139839A1

DE4139839A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung von schwebungsfrequenzaenderungen zwischen zwei single-mode-lasern sowie zur vermessung von distanzen

Info

Publication number: DE4139839A1
Application number: DE19914139839
Authority: DE
Inventors: Klaus-Dieter Dr. 2200 Greifswald De Salewski; Karl-Heinz Dipl.-Phys. O-6900 Jena De Bechstein; Horst Dr. 8014 Neubiberg De Schmidt-Bischoffshausen; Nikolaus Dipl.-Phys. 8000 Muenchen De Schmitt; Sigmund Dipl.-Phys. 8013 Haar De Manhart; Ralf Dipl.-Ing. 8000 Muenchen De Maurer
Original assignee: Deutsche Aerospace AG; Jenoptik AG
Current assignee: Universitaet Greifswald
Priority date: 1991-12-03
Filing date: 1991-12-03
Publication date: 1993-06-09
Anticipated expiration: 2011-12-04
Also published as: DE4139839C2

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Lasermeßtechnik, und zwar ein Verfahren zur Bestimmung der Schwebungsfrequenzänderung zwischen zwei Single-Mode-Lasern bzw. zwei gegeneinander frequenzverschobenen Strahlen einer Laserquelle sowie zur Vermessung von Distanzen, bei dem die Laserstrahlen mittels akustooptischer Modulatoren in ihrer Frequenz beeinflußt werden, um ein Super-Heterodyn-Interfereometer zu betreiben, dessen periodisches Ausgangssignal einen von der Reflektordistanz sowie der zwischen beiden Lasern generierbaren Schwebungsfrequenz abhängigen Phasenwinkel besitzt sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

Verschiedene Anordnungen zur absoluten Distanzinterferometrie gehen von Laserlichtquellen aus, deren Wellenlänge entweder alternierend zwischen zwei Werten variiert wird, wie es z. B. aus H. Matsumoto, "Synthetic interferometric distance-measuring system using a CO₂ Laser", Applied Optics (1986), Vol. 25, No. 4, P.493-498 bekannt ist oder die über zwei gleichzeitig emittierte Lichtkomponenten verschiedener Wellenlänge (Axialmoden) verfügen, wie in Y.-L. Wu, Y.-N. Zhang: "The beat wave interferometer with Zeeman laser for measuring short range", Conferenze on Precision Electromagnetic Measurements 1986 (CPEM 86), Cat. No. 86 CH 2267-3, IEEE New York, USA beschrieben wurde. Dabei besteht das Problem in der Erzeugung einer reproduzierbaren Schwebungsfrequenz bzw. Schwebungswellenlänge geeigne ter Abmessung, deren Variationsmöglichkeiten in der Regel durch die Parameter des Lasers (Breite der Gain-Kurve, Resonatorabmessung) begrenzt sind. Um eine Distanzmessung hoher Auflösung über einen großen Meßbereich zu realisieren, ist die Kombination mehrerer derartiger Schwebungswellenlängen erforderlich, die sich mittels verschiedener Laserlichtquellen erzeugen lassen. Der Nachteil dieser Anordnungen besteht neben dem nicht geringen Aufwand zur Stabilisierung der einzel nen Schwebungsfrequenzen vor allem in der relativ großen Dauer der Meß- und Auswertezyklen.

Andere bekannte Verfahren erzielen unter Verwendung von akustooptischen Modulatoren (AOM) äußerst stabile Schwebungsfrequenzen, die exakt gemessen werden können. Näheres dazu ist S. Manhart, R. Maurer: "Diode laser and fiber optics for dual-wavelength heterodyne interferometry", SPIE Vol. 1319 Optics in Complex Systems (1990), P. 214-216 zu entnehmen.

Sie finden jedoch bei ca. 1 GHz ihre physikalische Grenze, so daß sich kaum kleinere Schwebungswellenlängen als 300 mm erzielen lassen. Damit kann jedoch nur eine geringe Distanzauflösung erreicht werden.

Interessant sind Anordnungen, die eine variable Schwebungsfrequenz mit Hilfe einer stabilisierten Laserlichtquelle und eines durchstimmbaren Farbstofflasers realisieren, wie aus N.A. Massie, M.R. Dunn: "Telescope alignment with the absolute distance interferometer", SPIE Proceedings Vol. 332 bekannt wurde. Auf diese Weise lassen sich sehr kurze Schwe bungswellenlängen und damit hohe Distanzauflösungen erreichen. Die Ermittlung des Distanzmeßwertes erfordert die exakte Kenntnis der Schwebungswellenlänge bzw. Schwebungsfrequenz, die aus den beiden optischen Wellenlängen nach deren Bestimmung mittels Spektralapparat berechnet werden kann. Für große Distanzen gehen die Genauigkeitsanfor derungen über die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Spektralapparate allerdings hinaus. Die Notwendigkeit der Kenntnis der Schwebungswellen länge erweist sich daher als Hindernis bei der Ausdehnung der absoluten Distanzinterferometrie auf große Meßbereiche.

Anordnungen, die eine Bestimmung der absoluten Distanz ohne unmittelbare Kenntnis der Schwebungswellenlänge ermöglichen, sind gegenwärtig nicht bekannt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, eine interferometrische Anordnung zu entwickeln, die eine exakte Bestimmung der Änderungen der zwischen zwei Single-Mode-Lasern generierbaren Schwebungsfrequenz gestattet sowie unter Verwendung eines kalibrierten Vergleichsinterferometers eine absolute Distanzmessung mit hoher Auflösung erlaubt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 bzw. durch eine entsprechende Vorrichtung gelöst, die

1. aus zwei Single-Mode-Lasern mit nahezu identischen Gain-Kurven, von denen mindestens einer durchstimmbar ist,
2. einem Super-Heterodyn-Interferometer mit bekannter optischer Weg länge, das auf der Grundlage von akustooptischen Modulatoren AOM arbeitet und dessen elektronischer Output ein durch die AOM-Frequen zen definiertes periodisches Signal liefert, dessen Phasenwinkel eine Funktion der optischen Schwebungsfrequenz ist,
3. einem elektronischen Phasenmesser, die in Verbindung mit Zählein heiten alle ganzzahligen Vielfachen und Bruchteile von 2π der Phasenwinkel der Interferometersignale bezüglich eines aus den AOM-Generatoren gewonnenen Referenzsignals registrieren,
4. einer Mikrorechnereinheit, welche die Laserdurchstimmung auslöst und nach Beendigung des Durchstimmvorgangs das Resultat der Phasen messung speichert sowie eine Berechnung der Schwebungsfrequenz änderung durchführt,
5. und einem zweiten identischen Super-Heterodyn-Interferometer, dessen optische Wegdifferenz einer unbekannten zu vermessenden Distanz entspricht,

besteht.

Die Schwebungsfrequenz F ist durch die Wellenlängen der beiden Single-Mode-Laser λ₁ und λ₂ definiert:

(c=Lichtgeschwindigkeit).

Geht man davon aus, daß der Phasenwinkel des Heterodynsignals im Fall einer innerhalb des mit den Laserstrahlen beaufschlagten Interferometers vorliegenden Wegdifferenz D_o durch den Ausdruck:

gegeben ist, so führt eine Änderung der Schwebungsfrequenz zu Phasen änderungen, die sich als Vielfache M von 2π darstellen lassen:

Die Ermittlung der infolge Laserwellenlängenvariation resultierenden Änderung der Schwebungsfrequenz kann mit Kenntnis der innerhalb des Interferometers definierten Wegdifferenz D_o erfolgen:

Der Wert von D_o ist z. B. durch eine direkte Vermessung der Reflektor distanzen unter Verwendung eines geeigneten Meßmittels bestimmbar. Diese Aufgabe kann mit einem konventionellen Laserinterferometer zur Längen messung gelöst werden.

Wird die Anordnung mit einem zweiten identischen Super-Heterodyn-Inter ferometer ergänzt, so kann dessen optische Wegdifferenz D_x eindeutig berechnet werden. Das geschieht, indem die für beide Interferometer resultierenden Zählergebnisse ins Verhältnis gesetzt werden. Unter Berücksichtigung von Gl. (3) gilt:

Auf diese Weise ist die Ermittlung der unbekannten Distanz D_x wiederum unter Voraussetzung der Kenntnis von D_o möglich.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist der schematische Aufbau der erfindungsgemäßen Anordnung dargestellt. Die von zwei Laserlicht quellen (LASER) emittierten linear polarisierten Strahlen werden nach dem Passieren von jeweils einem λ/4-Plättchen LV, das eine Änderung der Polarisationsorientierung ermöglicht, auf eine Anordnung von akusto optischen Modulatoren AOM gerichtet. Entsprechend den Frequenzen der Generatoren G₁, G₂ erfahren die gebeugten Strahlkomponenten defi nierte Frequenzverschiebungen. Mittels weiterer λ/2-Plättchen LH, Spiegel SP und Polarisationsteiler PT werden die Teilstrahlen wieder zusammengeführt, bleiben jedoch aufgrund ihrer orthogonal orientierten Polarisationsebenen weiterhin separierbar.

In einem 50%-Strahlteiler ST werden alle Strahlkomponenten zu zwei Gesamtstrahlen vereinigt, die je einem Interferometer zugeführt werden.

Beide Interferometer sind vom Michelson-Typ und bestehen neben dem Polarisationsstrahlteiler PT aus je zwei Reflektoren RF, zwei λ/4-Plättchen LV, einem Polarisationsfilter PF sowie einer Empfangs einheit mit Fotodetektor FD und elektronischer Misch- und Filterstufe MF. Sie generieren auf der Grundlage des Heterodynprinzips periodische Signale S₁ und S₂, deren Frequenz der Differenzfrequenz der beiden akustooptischen Modulatoren entspricht und deren Phasen Funktionen der Reflektordistanz D_o bzw. D_x sind:

Die Reflektordistanz des Vergleichsinterferometers D_o wird durch eine kalibrierte Vergleichsstrecke KVS realisiert, die durch Mehrfach reflexionen zwischen zwei Planspiegeln sehr kompakt gestaltet werden kann.

Die erzeugten Interferometersignale werden je einem elektronischen Phasenmesser PM, der in Verbindung mit einem Zähler Z die Registrierung aller Phasenänderungen, d. h. ganzzahlige Vielfache und Bruchteile von 2π, ermöglicht.

Nach erfolgter Durchstimmung der Wellenlänge eines der beiden Laser und der damit verbundenen Änderung der Phasenwinkel beider Laser und der damit verbundenen Änderung der Phasenwinkel beider Interferometer signale, werden die Zählergebnisse der Phasenmessung von einer Mikro rechnereinheit (MIKRORECHNER) eingelesen und zur Berechnung der Schwe bungsfrequenzänderung ΔF gemäß Gl. (2) oder der unbekannten Reflektor distanz D_x nach Gl. (5) verwendet. Die Laserabstimmung erfolgt mittels eines rechnergesteuerten Tuners (TUNER).

Bezugszeichenliste:

LH λ/2-Plättchen
PT Polarisationsteiler
SP Spiegel
UP Umlenkprisma
PF Polarisationsfilter
FD Fotodetektor
AOM Akustooptischer Modulator
ST 50%-Strahlteiler
RF Reflektor
LV λ/4-Plättchen
KVS kalibrierte Vergleichstrecke D_x, D_o Reflektordistanz zur Bezugsebene des Interferometers G₁, G₂ Generatoren zur Ansteuerung der akustooptischen Modulatoren
MF elektronische Misch- und Filterstufe
PM elektronischer Phasenmesser
Z Zähler

Claims

1. Verfahren zur Bestimmung der Schwebungsfrequenzänderung zwischen zwei Single-Mode-Lasern bzw. zwei gegeneinander frequenzverschobenen Strahlen einer Laserquelle sowie zur Vermessung von Distanzen, bei dem die Laserstrahlen mittels akustooptischer Modulatoren in ihrer Frequenz beeinflußt werden, um ein Super-Heterodyn-Interfereometer zu betreiben, dessen periodisches Ausgangssignal einen von der Reflektordistanz sowie der zwischen beiden Lasern generierbaren Schwebungsfrequenz abhängigen Phasenwinkel besitzt, dadurch gekennzeichnet,

- daß die Wellenlänge von mindestens einem der beiden Laser/Laser strahlen ober einem bestimmten Bereich monoton durchgestimmt wird,
- daß durch kontinuierliche Verschiebung der Laserwellenlänge eine monotone Änderung der Schwebungsfrequenz bewirkt wird,
- daß alle damit verbundenen Phasenwinkeländerungen des Super-He terodyn-Signals in bezug auf ein aus den Generatoren der akustooptischen Modulatoren abgeleitetes Referenzsignal mittels elektronischer Phasenmesser und Zähler registriert werden,
- daß die nach Beendigung des Durchstimmvorganges ermittelte Gesamtphasenänderung von einer Mikrorechnereinheit gespeichert wird,
- daß die dem Quotienten aus Phasenänderung und Reflektordistanz des Interferometers proportionale Schwebungsfrequenzänderung mit Kenntnis beider Größen sowie unter Berücksichtigung der Signal ausbreitungsgeschwindigkeit des durchstrahlten Mediums auf der Grundlage eines einfachen Algorithmus direkt ermittelt wird,
- daß unter Verwendung eines zweiten in gleicher Weise beauf schlagten Interferometers beide Phasenmeßergebnisse gespeichert und ins Verhältnis gesetzt werden und
- daß aufgrund der Gleichheit von Phasenwinkelverhältnis und Verhältnis der Reflektordistanzen eine absolute Distanzmessung durchgeführt wird, indem bei Kenntnis einer der beiden Reflek tordistanzen eine Auflösung nach der unbekannten Distanz und damit deren Berechnung erfolgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die inner halb des zur absoluten Distanzmessung erforderlichen Vergleichsinter ferometers zu realisierende konstante Reflektordistanz vorzugsweise durch einen zwischen zwei Spiegeln infolge Mehrfachreflexion erzielten langen Lichtweg ausgeführt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtausbreitung in beiden Interferometern unter weitgehend ähnlichen Bedingungen bezüglich des durchstrahlten optischen Mediums erfolgt.