DE4305458C2

DE4305458C2 - Phasenmoduliertes Interferometer

Info

Publication number: DE4305458C2
Application number: DE19934305458
Authority: DE
Inventors: Juergen Bauer; Ehrhard Dammann
Original assignee: Jenoptik Jena GmbH; Jenoptik AG
Current assignee: Jenoptik AG
Priority date: 1993-02-23
Filing date: 1993-02-23
Publication date: 1997-05-28
Anticipated expiration: 2013-02-24
Also published as: DE4305458A1

Description

Die Erfindung betrifft ein phasenmoduliertes Interferometer zur Auswertung von Phasenverschiebungen aufgrund von Änderungen optischer Weglängen im Meßarm des Interferometers. Insbesondere findet sie Anwendung für Präzisionslängenmeßsysteme, die vorzugsweise das Heterodynverfahren zur Auswertung verwenden.

Dem allgemeinen Stand der Technik sind Lösungen aus dem Bereich der Gyroskope zuzurechnen, die auf einer Messung von Phasendifferenzen innerhalb von ringförmigen Lichtleitfasern basieren.

Ein Beispiel ist in der US-PS 5,141,315 in Form eines Ring-Resonator-Gyroskops offenbart.

Dabei werden die zwei gegenläufigen Laserstrahlen mittels eines integriert-optischen Chips bezüglich Polarisation, Strahlteilung und -vereinigung beeinflußt sowie mit unterschiedlicher Phasenmodulation frequenzmoduliert in die Faser eingekoppelt. Die von zwei Photodetektoren gewandelten Signale werden mit geringfügig verschiedenen MHz-Frequenzen gemischt und phasenselektiv ausgewertet, wobei oberes Seitenband des einen Strahls und unteres Seitenband des anderen Strahls in der Ringfaser in Resonanz gehalten werden.

Weiterhin ist aus der DE 30 40 514 A1 ein Lichtleitfasersensor bekannt geworden, in dem der Phasenterm des Sagnac-Effekts bestimmt wird. Hierbei wird einem Frequenzgenerator ein Modulationssignal zugeführt, das mindestens eine Frequenzkomponente enthält. Das Empfangssignal des Photodetektors wird dann bei mindestens zwei Frequenzen, die ganzzahlige Vielfache der besagten Frequenzkomponente sind, ausgewertet und läßt durch Verhältnisbildung eine Ermittlung der Sagnac-Phase zu.

Präzisionslängenmeßsysteme, basierend auf Interferometern, sind seit Einführung des Lasers bekannt. Prinzipiell wird zwischen homodynen und heterodynen Auswerteverfahren unterschieden. Heterodynverfahren werden im allgemeinen bevorzugt aufgrund ihrer Möglichkeit des Vor- und Rückwärtszählens und der infolge verschwindenden Gleichlichtanteils hohen Interpolation. Derzeit wird ausschließlich die Einseitenbanddetektion zur Auswertung genutzt. Zur Erzeugung eines Seitenbandes bzw. zur räumlichen Trennung der Seitenbänder werden Zeemann-Aufspaltung oder Braggablenkung genutzt. Bei integrierten optischen Heterodyninterferometern kann neben der Strahlteilung und -rekombination auch eine Frequenz- oder Phasenmodulation vorgenommen werden. Wegen der Stabilität und der aufwendigen Abbildung von monomodigen Streifenwellenleitern auf Schichtwellenleitern und umgekehrt mit Hilfe von Tapern, Linsen oder Gittern werden Interferometer mit durchgehenden Streifenwellenleitern angestrebt. Dadurch entfällt jedoch die akustooptische Braggablenkung zur räumlichen Trennung der Seitenbänder. Auf der Grundlage des elektrooptischen Effekts läßt sich im Streifenwellenleiter eine Phasenmodulation realisieren. Bei genau definierter elektrischer Ansteuerung des Modulators kann eine Seitenbandunterdrückung erreicht werden. So beschreibt VOGES u. a. in IEEE Journ. Quant. Electr. QE-18 (1982), S. 124-129 eine definierte elektrische Ansteuerung des Modulators durch Sägezahnimpulse mit definiertem Rücklauf und erreicht damit eine Seitenbandunterdrückung von 40dB.

Die Erzeugung solcher Ansteuersignale ist jedoch aufwendig und erfordert sehr hohen Regelaufwand.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein phasenmoduliertes Interferometer zu realisieren, das ohne komplizierte Ansteuerung des Phasenmodulators zu auswertefähigen Überlagerungssignalen aus Meß- und Referenzarm des Interferometers gelangt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem phasenmodulierten Interferometer mit einem Meßarm und einem Referenzarm, in dem in einem der beiden Interferometerarme ein Phasenmodulator zur Phasenmodulation der optischen Strahlung angeordnet ist und in dem ein Detektor zur Aufnahme eines optischen Überlagerungssignales aus Meß- und Referenzarm vorhanden ist, wobei dem Detektor eine Auswerteelektronik zur Bestimmung der Phasenverschiebung des Signals nachgeordnet ist, dadurch gelöst, daß am Phasenmodulator zwei sinusförmige Ansteuersignale mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen und Amplituden anliegen, die phasen- und frequenzstarr gekoppelt sind, und dem Detektor ein Bandpaßfilter nachgeordnet ist, das aus dem Frequenzspektrum des Überlagerungssignales eine Filterfrequenz ausfiltert, die der Bedingung

ω_F = (2m-1)ω₁ = 2nω₂ mit m,n = 1,2,3 . . . und ω₁<ω₂

genügt, so daß bei geeigneter Wahl eines von den Amplituden abhängigen Arbeitspunktes ein Signal der Struktur

S = const · cos (ω_F t - kx)

entsteht, das mit üblichen Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung ausgewertet wird und bei dem t die Zeit, k die Wellenzahl und x die zu messenden Distanz bedeuten.

Vorteilhaft wird der Phasenmodulator so eingestellt, daß die Amplituden der Ansteuersignale die Gleichung J_o (2ϕ₂)J_2n (2ϕ₂) = J_o (2ϕ₁)J_2m-1(2ϕ₁) erfüllen, wobei J_i die i-te Besselfunktion ist. Dabei sind m und n positive ganze Zahlen, so daß in der Gleichung einerseits gerade und andererseits ungerade Indizes der Besselfunktion stehen. Zweckmäßig werden aus dem Überlagerungssignal eine oder mehrere Signale unterschiedlicher Frequenzen zur Regelung der Ansteuersignale ausgefiltert.

In einem dreiarmigen Interferometer, das zur Kompensation von Wellenlängendriften zwei Referenzarme aufweist, ist es von Vorteil, in jedem der Referenzarme einen Phasenmodulator anzuordnen, so daß in jedem Referenzarm jeweils nur eine der zwei unterschiedlichen sinusförmigen Ansteuersignale aufmoduliert wird.

Für ein dreiarmiges Interferometer mit zwei Meßarmen, vorzugsweise zur Erreichung einer Wegmessung in zwei Koordinatenrichtungen, erweist es sich als vorteilhaft, in jedem der Meßarme einen Phasenmodulator anzuordnen, wobei wiederum jedem dieser Modulatoren die zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen zugeführt werden.

Insbesondere bei den dreiarmigen Interferometern ist es von Vorteil, sowohl die Strahlteilung in Meß- und Referenzarme und deren Rekombination als auch die Realisierung der elektrooptischen Phasenmodulatoren integriert-optisch auszuführen.

Für bestimmte Anwendungen erweist es sich als vorteilhaft, den oder die Phasenmodulatoren mit mehr als zwei sinusförmigen Ansteuersignalen anzusteuern.

Der Grundgedanke der Erfindung liegt in der Überlegung, mit einer einfachen Sinusansteuerung des Phasenmodulators eine Signalstruktur des Überlagerungssignals aus Meß- und Referenzarmsignal zu erreichen, die sich in bekannter Weise bezüglich Phasenverschiebungen im Meßarm auswerten läßt. Dies wird gemäß der Erfindung erreicht, indem eine Modulation mit zwei phasengekoppelten frequenzstabilen Sinussignalen erfolgt und aus dem Überlagerungssignal schmalbandig eine Frequenz ausgefiltert wird, die sowohl einer ungeradzahligen Harmonischen der ersten Modulationsfrequenz als auch einer geradzahligen Harmonischen der zweiten Modulationsfrequenz entspricht. Mit der Wahl eines geeigneten Arbeitspunktes des Phasenmodulators entsteht im Ergebnis der Filterung ein in üblicher Weise auf Phasenverschiebung analysierbares Kosinussignal.

Mit dem erfindungsgemäßen phasenmodulierten Interferometer ist es möglich, anstelle der komplizierten Sägezahnansteuerung mit einer zweifachen Sinusansteuerung zu derselben Signalstruktur zu gelangen, die die Auswertung der Phasenverschiebung und damit die gewünschte Wegmessung erlaubt. Die simple Sinusansteuerung bringt zudem noch den Vorteil, daß sich entsprechende elektro-optische Modulatoren auf integriert-optischen Chips (IOC) realisieren lassen und somit ein integriert-optisches phasenmoduliertes Interferometer, insbesondere Heterodyninterferometer, für verschiedene technische Anwendungen industriell herstellbar ist.

Die Erfindung soll nachstehend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung

Fig. 2 eine Gestaltungsform eines dreiarmigen Interferometers als integriert-optisches Doppelinterferometer zur Kompensation von Wellenlängendriften bei der Wegmessung.

Das erfindungsgemäße Interferometer besteht - wie in Fig. 1 dargestellt - aus einer Interfero meteranordnung, die vorzugsweise als integriert-optischer Chip 1 ausgeführt ist und in einem ihrer Interferometerarme einen Phasenmodulator 2 enthält. Die Interferometeranordnung ist üblicherweise mit einer Laserquelle, vorzugsweise in Form einer Laserdiode 3, einem Detektor 4 und einer den Meßarm des Interferometer bestimmenden Meßstrecke 5 gekoppelt. Gemäß der Erfindung wird der Phasenmodulator 2 mit zwei Ansteuersignalen mit den Modulationsfre quenzen ω₁ und ω₂ angesteuert. Das aus Meßarm und Referenzarm vereinigte Überlagerungssignal enthält Grund- und Oberwellen beider Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂, von denen gemäß der Erfindung ein Signal mit der Filterfrequenz ω_F vom Bandpaßfilter 8 aus gefiltert, in einem Komparator 9 einem Schwellenkriterium unterworfen, in einem Richtungs diskriminator 10 gegenüber der Richtung der Phasenverschiebung untersucht und in einem Auswerterechner 11 betragsmäßig ausgewertet wird. Dazu erfolgt die Vorgabe der notwendi gerweise frequenz- und phasenstarr gekoppelten Ansteuersignale mit den Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ zweckmäßig mittels eines Generators 6, dessen Grundfrequenz f_o über ei nen Frequenzteiler 7 geteilt wird. Am einfachsten wird die Grundfrequenz f_o über den Fre quenzteiler 7 halbiert, so daß die Modulationsfrequenzen ω₁ = f_o und ω₂ = 1/2 f_o entstehen und der Phasenmodulator 2 mit den Ansteuersignalen S₁ und S₂

S₁(t) + S₂(t) = (ϕ₁sin(f_ot) + ϕ₂sin(1/2f_ot)

angesteuert wird. Dabei sind ϕ₁ und ϕ₂ die Amplituden der Ansteuersignalkomponenten.

Arbeitet man mit einer Grundfrequenz f_o = 10 MHz des Generators 6 und filtert das Empfän gersignal bei dieser Frequenz (ω_F = 10 MHz, erhält man die zweite Harmonische des Ansteuer signals S₂ = ϕ₂sin(1/2f_ot) und die erste Harmonische des Ansteuersignals S₁ = ϕ₁sin(f_ot).

Mit der Auswahl des geeigneten Arbeitspunktes des Phasenmodulators bei

J_o(2ϕ₁)J₁(2ϕ₁) = J_o(2ϕ₂) = J₂(2ϕ₂)

entsteht dann ein Signal

S(t) = const cos(f_ot-kx),

aus dem in bekannter Weise die Bestimmung der Phasenverschiebung gegenüber der Grundfrequenz f_o erfolgen kann.

Um die allgemeine Bedingung für die Wahl der Filterfrequenz ω_F deutlich zu machen, sei noch ein zweites Beispiel für die Frequenzwahl angefügt. Steuert man den Phasenmodulator 2 mit den Modulationsfrequenzen ω₁ = 10 MHz und ω₂ = 7,5 MHz an, erreicht man (entsprechend der im Anspruch 1 angegebenen Formel für die Filterfrequenz ω_F) bei ω_F = 30 MHz die Ausfilterung der 3. Harmonischen vom Ansteuersignal S₁ und die 4. Harmonische des Ansteuersignals S₂, so daß sich mit dem Arbeitspunkt

J_o(2ϕ₁)J₃(2ϕ₁) = J_o(2ϕ₂)J₄(2ϕ₂)

das oben angegebene, auswertbare Kosinussignal ergibt. Bei einem Arbeitspunkt von 2ϕ₁ = 3,06 und 2ϕ₂ = 4,27 führen außerdem Schwankungen der Amplituden ϕ₁ und ϕ₂ nur zu minimalen Signaländerungen, weil

gilt.

Die Wahl der Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ ist prinzipiell beliebig, solange die Filterfrequenz ω_F der angegebenen Bedingung genügt. Wegen der Signalabschwächung der höheren Harmonischen ist es jedoch zweckmäßig, den Fall ω₁ = f_o, ω₂ = 1/2f_o und ω_F = f_o zu bevorzugen. Er wurde deshalb in die bildliche Darstellung von Fig. 1 aufgenommen, soll jedoch die Allgemeinheit der hier offenbarten erfindungsgemäßen Lehre in keiner Weise einschränken.

In Fig. 2 ist ein integriert-optischer Chip 1 für ein dreiarmiges Interferometer mit zwei Referenzarmen dargestellt. Sind die Meß- und Referenzarme - wie dort schematisch angedeutet - in der Folge Referenzarm - Meßarm - Referenzarm angeordnet und bewegt sich der Meßspiegel im Intervall zwischen den beiden Referenzspiegelpositionen, so läßt sich damit eine Wegmessung von Wellenlängendriften der Laserdiode 3 und Änderungen der optischen Eigenschaften entlang der Meßstrecke 5 unabhängig machen. Genau genommen, ist dieses Dreiarminterferometer ein Doppelinterferometer mit gemeinsamer Laserdiode 3 und gemeinsamer Meßstrecke 5, denn in jedem Teilinterferometer ist eine erfindungsgemäße Anregung des Phasenmodulators 2 mit zwei Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ erforderlich, um die jeweilige Phasenverschiebung zwischen dem Meßarm und einem Referenzarm über den Detektor 4 und das Bandpaßfilter 8 gemäß Fig. 1 und dem Stand der Technik zu bestimmen.

Dabei müssen die Modulationsfrequenzen ω₁ und ω₂ für die beiden Phasenmodulatoren 2 nicht notwendigerweise identisch gewählt werden. Denkbar ist auch der Einsatz eines einzigen Phasenmodulators 2 im Meßarm vor Beginn der Meßstrecke 5.

Ein (nicht dargestelltes) dreiarmiges Interferometer mit zwei Meßarmen, vorzugsweise zur gekoppelten Zwei-Koordinaten-Wegmessung, ist prinzipiell analog dem Interferometer gemäß Fig. 2 aufgebaut, wobei dann der Referenzarm mittig auf dem Chip 1 liegt. Die Einstufung als Doppelinterferometer mit separater Überlagerung und Auswertung bleibt in gleicher Weise bestehen.

Bezugszeichenliste

1 Chip
2 Phasenmodulator
3 Laserdiode
4 Detektor
5 Meßstrecke
6 Generator
7 Frequenzteiler
8 Bandpaßfilter
9 Komparator
10 Richtungsdiskriminator
11 Auswerterechner
ω₁, ω₂ Modulationsfrequenzen
ϕ₁, ϕ₂ Amplituden
ω_F Filterfrequenz
f_o Grundfrequenz

Claims

1. Phasenmoduliertes Interferometer mit einem Meßarm und einem Referenzarm, in dem in ei nem der beiden Interferometerarme ein Phasenmodulator zur Phasenmodulation der opti schen Strahlung angeordnet ist und in dem ein Detektor zur Aufnahme eines optischen Überlagerungssignales aus Meß- und Referenzarm vorhanden ist, wobei dem Detektor eine Auswerteelektronik zur Bestimmung der Phasenverschiebung des Signals nachgeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß

- am Phasenmodulator (2) zwei sinusförmige Ansteuersignale mit unterschiedlichen Modulationsfrequenzen (ω₁, ω₂) und Amplituden (ϕ₁, ϕ₂) anliegen, die phasen,- und frequenzstarr gekoppelt sind, und
- dem Detektor (4) ein Bandpaßfilter (8) nachgeordnet ist, das aus dem Frequenzspektrum des Überlagerungssignales eine Filterfrequenz (ω_F) ausfiltert, die der Bedingung ω_F = (2m-1)ω₁ = 2nω₂ mit m,n = 1,2,3 . . . und ω₁<ω₂genügt, so daß bei geeigneter Wahl eines von den Amplituden (ϕ₁, ϕ₂) abhängigen Ar beitspunktes ein Signal der StrukturS = const · cos (ω_Ft - kx)entsteht, das mit üblichen Verfahren zur Bestimmung der Phasenverschiebung ausge wertet wird und bei dem t die Zeit, k die Wellenzahl und x die zu messende Distanz bedeuten.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Phasenmodulator (2) so eingestellt ist, daß die Amplituden (ϕ₁, ϕ₂) der Ansteuer signale die Gleichung J_o (2ϕ₂)J_2n (2ϕ₂) = J_o(2ϕ₁)J_2m-1(2ϕ₁) mit m, n = 1,2,3 . . . erfüllen, wobei die J_i die i-te Besselfunktion ist.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Frequenzspektrum des Überlagerungssignales ein oder mehrere Signale unter schiedlicher Frequenzen zur Regelung der Amplituden (ϕ₁, ϕ₂) der Ansteuersignale ausge filtert werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dreiarmigen Interferometer, bei dem vorzugsweise zur Kompensation von Wellenlängendriften der Laserquelle zwei Referenzarme vorhanden sind, die beide durch Überlagerung mit demselben Meßarm zwei separat auszuwertende Überlagerungssignale hervorbringen, in jedem der Referenzarme ein Phasenmodulator (2) angeordnet ist, wobei an jedem dieser Phasenmodulatoren (2) nicht notwendigerweise dieselben, jedoch jeweils zwei frequenz- und phasenstarr gekoppelte Ansteuersignale mit den Modulationsfrequenzen (ω₁, ω₂) anliegen.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in einem dreiarmigen Interferometer, bei dem vorzugsweise zur Erreichung einer Zwei- Koordinaten-Wegmessung zwei Meßarme vorhanden sind, die beide mit demselben Refe renzarm zwei separat auszuwertende Übergangssignale hervorbringen, im Referenzarm ein Phasenmodulator (2) angeordnet ist, dem beide Modulationsfrequenzen (ω₁, ω₂) als An steuersignale zugeführt werden.

6. Anordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die Aufspaltung in Meß- und Referenzarme und deren Überlagerung, als auch die Realisierung der elektrooptischen Phasenmodulatoren (2) integriert-optisch ausgeführt ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Phasenmodulatoren (2) eine Ansteuerung mit mehr als zwei sinusförmigen Ansteuersignalen aufweisen.