DE4143166C2 - Vorrichtung zum Verlängern der optischen Weglänge eines von einem Laser abgegebenen Laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Verlängern der optischen Weglänge eines von einem Laser abgegebenen Laserstrahls, welche aus einem transparenten Körper mit zwei zueinander parallelen Seitenflächen besteht, zwischen denen der Laserstrahl mehrfach hin und her reflektiert wird, wobei der Laserstrahl durch ein Eintrittsfenster in den transparenten Körper unter einem vorgegebenen Eintrittswinkel eintritt und durch ein Austrittsfenster aus dem transparenten Körper austritt.

Bei der Messung und Korrektur von beispielsweise Strahlschwerpunktsschwankungen von Laserstrahlen, die im µm-Bereich liegen, stellt sich das Problem, hohe Auflösungen dieser sogenannten Laserdrift zu erzielen. Nach dem Stand der Technik wird zur Messung, Korrektur bzw. Kompensation der Lagestabilität und Schwerpunktsschwankungen von Laserstrahlen ein aus dem Meßstrahl ausgekoppelter Referenzstrahl herangezogen, der über längere Wegstrecken von beispielsweise 1 m einem separaten Referenzdetektor zugeführt wird. Dies erfordert bei Einschränkung störender äußerer mechanischer Einflüsse meistens einen ähnlichen fertigungstechnischen Aufwand wie für die eigenstabile Laseranordnung selbst Außerdem können Umweltbedingungen, wie Temperaturschwankungen und Luftbewegungen auf den Referenzstrahlengang sich nachteilig auf die Meßsicherheit auswirken.

Aus der US 4,344,671 ist eine Vorrichtung mit einem transparenten Körper bekannt, mit der eine Synchronisation von getriggerten Laserimpulsen zum Zwecke der Parallelisierung aller beteiligten Laser und zeitgenauen Lichtverstärkung durch verschiedene Lauflängen erfolgen soll. Mit der bekannten Anordnung wird ein großer Impuls zur Kernverschmelzung durch Lichtdruck erzeugt. Die bei dem bekannten transparenten Körper zueinander parallelen Seitenflächen, zwischen denen die Laserstrahlen mehrfach hin- und herreflektiert werden, sind unverspiegelt. Die Laserimpulse werden in vordefinierten Zeitintervallen ausgelöst und unter verschiedenen Winkeln in die Apparatur eingeschossen. Durch die unterschiedlichen Lauflängen der Laserstrahlen im Glaskörper und die spezielle Anordnung der Laser treten die Strahlenbündel am oberen Ende immer parallel und auch gleichzeitig aus, sofern entsprechend getriggtert wurde. Herausragend für die Funktionsweise ist die Anordnung der Laser sowie ihrer Einschußfenster. Wird einer der Laser um seine Vertikalachse gedreht, geht der Nutzeffekt der Parallelisierung verloren.

Aus der DE 31 37 156 A1 ist ein System zur optischen Weglängenänderung angegeben. Dieses System soll zur Änderung optischer Weglängen mit Hilfe mechanisch verschiebbarer Reflexionselemente (etwa Spiegel) dienen. Hierbei soll jede unerwünschte Änderung der optischen Weglänge durch Führungsfehler und störende Bildversetzung unterbunden werden. Der Einfalls- und Ausfallswinkel, unter denen der Laserstrahl das Weglängenveränderungssystem durchläuft, bleibt unverändert. Dieses bekannte System ist für den Einsatz bei der Interferometrie bzw. bei Ferngläsern vorgesehen.

Die DE 32 14 268 A1 betrifft ein optisches Justierelement, bei dem ein Drehspiegel zur Winkelkorrektur und ein Tubus mit planparallelen Platten oder Keilen zur Translationskorrektur vorgesehen sind. Die bekannte Anordnung dient der handgeführten Nachkorrektur von Winkel- und Translationsversatz von Strahlquellen (etwa Lasern), die auf einen Punkt eingeführt wurden und wobei der Laser einer Nachjustierung bedarf. Diese Anordnung ist speziell für die Anwendung bei Lichtmikroskopen ausgelegt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Verlängern der optischen Weglänge eines von einem Laser abgegebenen Laserstrahls anzugeben, die kompakt aufgebaut ist und eine von thermischen und atmosphärischen Einflüssen weitgehend unabhängige Registrierung der Winkeldrift des Laserstrahls gestattet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Maßnahmen gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 1 gelöst.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist gemäß Anspruch 2 dadurch gegeben, daß der transparente Körper aus Glas oder aus einem transparenten Kunststoff besteht.

Eine Weiterbildung der Erfindung bezüglich mehrerer Laserstrahlen ergibt sich gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 3.

Eine entsprechend gestaltete Vorrichtung kann gemäß dem Kennzeichen von Anspruch 4 ausgeführt sein.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen im wesentlichen darin, daß eine kompakte, optische Einheit geschaffen wurde, die es ermöglicht, den Laserstrahl in einem homogenen, isotropen Medium über beliebig lange Wegstrecken zu führen, und zwar frei von äußeren mechanischen, thermischen und atmosphärischen Einflüssen, wobei die Größe der Referenzebene erheblich verkleinert ist.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, die nachfolgend näher beschrieben werden.

Es zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen transparenten Körpers zum Vervielfachen der optischen Weglänge eines Laserstrahles,

Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der optischen Weglänge von zwei Laserstrahlen,

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der optischen Weglängen von vier Laserstrahlen und

Fig. 4 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Körpers zum Vervielfachen der optischen Weglängen von drei senkrecht zueinander angeordneten Laserstrahlen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vervielfachen der optischen Weglänge eines Laserstrahls 5 besteht aus einem transparenten Körper 8, beispielsweise aus Glas oder einem synthetischen Material, wobei der transparente Körper 8 quaderförmig ausgebildet ist. Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispielen sind zwei gegenüberliegende Seitenflächen 8a, 8b des transparenten Körpers 8 verspiegelt. Die verspiegelten Seitenflächen 8a, 8b weisen verspiegelungsfreie Fenster 9a, 9b, 9c, 9d, 9f, 9g, 9h auf, wobei zugeordnete Fenster sich einander diagonal gegenüberliegen und in den Ecken der Seitenflächen 8a, 8b befinden.

Fig. 1 zeigt einen erfindungsgemäßen Körper 8, dem ein aus dem Laserstrahl 3 einer Laserdiode 1 in dem Strahlteiler 2 ausgekoppelter Referenzlaserstrahl 5 zugeführt wird. Der Laserstrahl 5 tritt unter einem bestimmten räumlichen Winkel durch das Fenster 9a der vorderen Seitenfläche 8a in den Körper 8 ein und wird, wie der Strahlenverlauf zeigt, abhängig von dem Eintrittswinkel mehrfach innerhalb des Körpers 8 an den Seitenflächen 8a, 8b reflektiert, bevor er durch das zugeordnete, diagonal gegenüberliegende Fenster 9b auf der hinteren Seitenfläche 8b aus dem Körper 8 austritt und einem nicht dargestellten Referenzdetektor zugeführt wird. Die Weglänge des Referenzstrahles 5 innerhalb des Körpers 8 wird durch den räumlichen Eintrittswinkel vorgegeben und liegt bei ca. 1 m, was einem Auflösungsverhältnis von 1 : 10 zwischen Laser selbst und Referenzdetektor entspricht. Innerhalb des Körpers 8 addieren sich die Winkeländerungen des Referenzstrahles 5 gemäß der Anzahl der Reflexionen, womit eine Vervielfachung der Laserdrift und eine hohe, zweidimensionale Auflösung der Laserdrift erreicht werden.

Ohne Einschränkung in der Funktion ist es auch möglich, daß der Laserstrahl 5 parallel zu einer Seitenfläche des Körpers 8, beispielsweise zur Grundfläche, durch den Körper 8 geleitet wird.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Fig. 2, 3 und 4 dargestellt. Fig. 2 zeigt einen erfindungsgemäßen Körper 8, der auf der vorderen Seitenfläche 8a zwei verspiegelungsfreie Fenster 9a, 9c und auf der hinteren Seitenfläche 8b diagonal gegenüberliegend zwei zugeordnete, verspiegelungsfreie Fenster 9b, 9d aufweist. Auf diese Weise besteht die Möglichkeit, bei zwei unabhängigen Laserstrahlen 5, 5a entsprechende Weglängenvervielfachungen vorzunehmen. Die Laserstrahlen 5, 5a treten durch die Fenster 9a, 9c in den Körper 8 ein, durchlaufen ihn ebenfalls diagonal unter mehrfachen Reflexionen an den verspiegelten Seitenflächen 8a, 8b und treten durch die zugeordneten Fenster 9b, 9d wieder aus dem Körper 8 aus.

Entsprechend zeigt Fig. 3 die Verwendung von mehr als zwei, beispielsweise vier unabhängigen Laserstrahlen 5, 5a, 5b, 5c, die durch die in den vier Ecken der vorderen Seitenflächen 8a befindlichen Fenster 9a, 9c, 9e, 9g in den Körper 8 eintreten und ihn durch die diagonal gegenüberliegenden, zugeordneten Fenster 9b, 9d, 9f, 9h wieder verlassen.

Eine für die technische Anwendung der Lasermessung interessante und vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß der erfindungsgemäße Körper 8 in Fig. 4 zum Vervielfachen der Weglängen von drei Laserstrahlen 5, 5a, 5b die von drei senkrecht zueinander angeordneten, ein XYZ-Referenzkoordinatensystem bildende Laserdioden 1, 1a, 1b eingesetzt wird. Für diese Aufgabe ist es notwendig, daß alle Seitenflächen 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f des in Fig. 4 dargestellten Körpers 8 verspiegelt sind und jeder der sechs Seitenflächen 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f ein verspiegelungsfreies Fenster 9a, 9b, 9c, 9d, 9e, 9f aufweist. Durch die Fenster 9a, 9c, 9e der senkrecht zueinander angeordneten Seitenflächen 8a, 8c, 8e werden die Laserstrahlen 5, 5a, 5b in den Körper 8 eingeführt; sie durchlaufen wie bei den bereits beschriebenen Ausführungsbeispielen den Körper 8 diagonal unter mehrfachen Reflexionen an den Seitenwänden 8a, 8b, 8c, 8d, 8e, 8f und treten durch die zugeordneten, diagonal gegenüberliegenden Fenster 9b, 9d, 9f wieder aus dem Körper 8 aus.

Mit der dreidimensionalen Anordnung ist durch entsprechende Einstellmöglichkeiten der Laserdioden 1, 1a, 1b ein hochgenaues und über weite Strecken stabiles, absolut rechtwinkliges Referenzkoordinatensystem zu erzeugen, das beispielsweise bei der Überwachung von Werkzeugmaschinen unentbehrlich ist.

Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Körpers 8 wird der technische Aufwand bei der Kontrolle und Korrektur der Laserdrift von mehreren gleichzeitig eingesetzten Laserdioden, beispielsweise zur Überwachung von Koordinatenmeßgeräten, erheblich vermindert. Außerdem ist der Platzbedarf sehr gering und der Justieraufwand entfällt.

Claims (4)

1. Vorrichtung zum Verlängern der optischen Weglänge eines von einem Laser abgegebenen Laserstrahls, welche aus einem transparenten Körper mit zwei zueinander parallelen Seitenflächen besteht, zwischen denen der Laserstrahl mehrfach hin und her reflektiert wird, wobei der Laserstrahl durch ein Eintrittsfenster in den transparenten Körper unter einem vorgegebenen Eintrittswinkel eintritt und durch ein Austrittsfenster aus dem transparenten Körper austritt, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (8) quaderförmig ausgebildet ist und seine beiden parallelen Seitenflächen (8a, 8b) bis auf das Eintrittsfenster (9a) und das Austrittsfenster (9b) verspiegelt sind und der Laserstrahl (5) somit unabhängig von seinem Auftreffwinkel von den verspiegelten Seitenflächen (8a, 8b) immer reflektiert wird, daß die von dem Weg des Laserstrahls (5) aufgespannte Ebene diagonal durch den transparenten Körper (8) verläuft, und daß der transparente Körper (8) in seiner Winkellage zur Erzeugung einer Vielzahl von Reflexionen relativ zu dem eintretenden Laserstrahl (5) definiert eingestellt ist, so daß sich eine Winkeldrift des Laserstrahls (5) am Austrittsfenster (9b) umso stärker bemerkbar macht, je größer die Anzahl der Reflexionen des Laserstrahls (5) an den Seitenflächen (8a, 8b) des transparenten Körpers (8) ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der transparente Körper (8) aus Glas oder aus einem transparenten Kunststoff besteht.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere voneinander unabhängige Laserstrahlen den transparenten Körper (8) durchlaufen und die beiden reflektierenden Seitenflächen (8a, 8b) zu diesem Zweck pro Laserstrahl jeweils ein eigenes Eintritts- und Austrittsfenster aufweisen.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem transparenten Körper (8) drei senkrecht zueinander ausgerichtete Laserstrahlen an drei unterschiedlichen Quaderecken eingekoppelt und an den jeweils diagonal gegenüberliegenden Quaderecken ausgekoppelt werden und auf diese Weise ein rechtwinkliges Referenzkoordinatensystem zur Überwachung von Koordinatenmeßgeräten definiert wird.