DE68914520T2

DE68914520T2 - Lasermessvorrichtung.

Info

Publication number: DE68914520T2
Application number: DE68914520T
Authority: DE
Inventors: Thomas A Rabson; Michael D Reifel; John V Wright
Original assignee: Reiton Corp
Current assignee: Reiton Corp
Priority date: 1988-06-24
Filing date: 1989-05-18
Publication date: 1994-11-10
Anticipated expiration: 2009-05-19
Also published as: EP0348039A2; CA1324898C; US4983035A; EP0348039A3; JPH0251004A; EP0348039B1; DE68914520D1

Description

Es ist bekannt, ein System zu schaffen, das einen Laser aufweist, um in einem Bauelement auftretende Dehnung oder andere gemessene Variationen in Form eines Laserstrahls zu codieren. Genauer gesagt erfolgt bei einem Bauelement, das typischerweise mit Kompressions- oder Zugspannungen belastet wird, ansprechend auf die Spannungsbelastung routinemäßig ein Biegen oder Nachgeben. Im Falle einer Zugspannung erfährt das Element eine Längung, wodurch eine Dehnung gebildet wird, die zu der auf das Element ausgeübten Belastung proportional ist oder zu dieser in Beziehung steht. Eine Spannungsbelastung in der entgegengesetzten Richtung verursacht eine Dehnung mit entgegengesetztem Vorzeichen. Ein derartiges System ist in der US 4 475 812 (Buczek et al.) beschrieben und umfaßt eine optische Faser, die zwischen einem Hohlraum und einem Spiegel angeordnet ist, der relativ zu dem Hohlraum beweglich ist. Letzterer erhält ein Eingangssignal von einem Laserantrieb, und das aus der aus dem Hohlraum, der Faser und dem Spiegel gebildeten Anordnung variabler Länge austretende Licht wird nach Maßgabe der Spiegelposition codiert. Der Laserantrieb bei einem solchen System ist kein Bestandteil der Anordnung variabler Länge.
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf Lasersysteme zum Umwandeln der Dehnung oder anderer gemessener Variationen eines Bauelements in eine Laserstrahl-Frequenzänderung, die sich in einfacher Weise von dem Element weg übertragen läßt sowie an einer davon entfernten Stelle auffangen, decodieren sowie interpretieren läßt. Sozusagen schafft sie eine Art Dehnungsmeßgerät (oder Meßgerät), das an dem Tests unterzogenen Bauelement angebracht wird, wobei das Signal des Meßgeräts von dem Bauelement abgelegen frei von sich verwirrenden Drähten oder Kabeln gekoppelt wird. Die offenbarte Laservorrichtung kann daher als Meßsystem oder als Fernübertragungssystem oder sowohl als Meßsystem als auch als Fernübertragugnssystem verwendet werden. Im Gegensatz zu dem eingangs genannten Stand der Technik besitzen die vorstehenden Systeme aktives Lasermaterial innerhalb der Anordnung variabler Lange, das zum Codieren des optischen Ausgangssignals dient.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Dehnungsmeßgerät-System mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls, der nach Maßgabe der Dehnung in einem Element codiert ist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls folgendes aufweist:
(a) einen länglichen Laserkörper, der aus aktivem, zum Lasern geeigneten Material gebildet ist, wobei der Körper einander entgegengesetzte Enden aufweist, die durch eine erste Distanz voneinander beabstandet sind;
(b) einen Spiegel; und
(c) eine Befestigungseinrichtung zum Verbinden des Laserkörpers und des Spiegels mit jeweiligen, voneinander beabstandeten Stellen auf einem Dehnung ausgesetzten, gemeinsamen Element in einer derartigen Weise, daß der Spiegel von dem Laserkörper durch eine zweite Distanz beabstandet ist sowie dazu ausgelegt ist, Licht von dem Laserkörper in den Körper zurückzulenken,
wodurch der Spiegel und der Laserkörper zusammenwirken, um einen Laserstrahl mit einer von der ersten Distanz und der zweiten Distanz abhängigen Frequenz und/oder Amplitude zu schaffen, und wodurch zwischen dem Körper und dem Spiegel eine zu der Dehnung in dem Element proportionale Relativbewegung vorhanden ist, die zu einer Änderung bei der zweiten Distanz führt und dadurch den Laserstrahl moduliert.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt einen Laserkörper, der einen massiven Körper aus aktivem Material definiert, das für eine Laserwirkung ausgelegt ist, wobei der Körper mit zwei oder mehr reflektierenden Flächen oder Spiegeln zusammenwirkt, um dadurch die gemessene Dehnungsinformation in Form eines von dem Laser emittierten Strahls zu codieren. Das Reflexionsvermögen der Spiegel ist derart eingestellt, daß sichergestellt ist, daß der Strahl von einer ausgewählten Endfläche oder Endflächen des Körpers aus Lasermaterial emittiert wird. Außerdem ist ein separater oder abgelegener (externer) Reflexionsspiegel vorhanden, der parallel zu den Endflächen des Laserkörpers angebracht wird. Dieser externe Reflexionsspiegel ist zu dem Zweck vorhanden, um den Laserstrahl von einem entfernten Punkt zurück in den Körper zu lenken, um eine Modifikation der in dem Körper stattfindenden Erzeugung des kohärenten Strahls vorzunehmen. Zwischen dem Laserkörper und dem externen Spiegel ist ein Raum oder Spalt vorhanden, der eine Anbringung des Spiegels an einer von dem Laserkörper abgelegen Stelle ermöglicht. Diese Beabstandung von Spiegel und Laserkörper ermöglicht eine Modifizierung der Geometrie der Meßvorrichtung zur Anbringung an dem betreffenden Bauelement, wodurch eine Einstellung der Länge L, über die Dehnungsmessungen erfolgen, sowie eine Codierung der Dehnung in der Laserfrequenz ermöglicht sind.
Der Laserstrahl wird somit innerhalb des aus Lasermaterial bestehenden Hohlraums erzeugt, aus einer Endfläche desselben heraus nach außen gerichtet, über eine von dem externen Spiegel zu reflektierende Distanz (oder einen Raum) übertragen und in den Laserkörper zurückgerichtet. Dies verstärkt die in dem Laserkörper stattfindende Laserstrahlerzeugung, wodurch die Bildung des kohärenten Laserstrahls und die von dem Laserkörper emittierte Laserstrahlfrequenz definiert werden. Der emittierte Strahl wird dann entweder von der zweiten Endfläche des Körpers oder von dem externen Spiegel weggerichtet, wobei Veränderungen bei der Beabstandung L der Komponenten codiert werden, so daß die Laserstrahlfrequenz eine Funktion der in dem Bauelement in der Länge L stattfindenden Dehnung darstellt.
Man beachte, daß der externe Spiegel und der Laserkörper an dem Bauelement angebracht sind. Die Beabstandung zwischen den Komponenten ergibt eine stehende Welle zwischen den Komponenten. Wird die Beabstandung verändert, verändert sich die stehende Welle, so daß eine Frequenzänderung auftritt, wobei die Frequenzänderung von einer Veränderung der Beabstandung oder dL abhängig ist.
Alternative Ausführungsformen beinhalten eine Anordnung mit einem verlängerten Hohlraum zwischen dem Laserkörper und dem externen Spiegel sowie eine alternative Anordnung mit gekoppeltem Hohlraum. Diese verschiedenen Ausführungsformen beziehen sich zum Teil auf die Arten der reflektierenden oder transparenten Beschichtungen, die auf die Endflächen des Laserkörpers und auf die externen Spiegel aufgebracht werden. Man bedenke, daß ein Laserkörper typischerweise mit voneinander beabstandeten Endflächen arbeitet, wobei der kohärente Strahl zwischen den beiden Flächen gebildet wird.
Die vorliegende Vorrichtung läßt sich zusammenfassen als Laserkörper mit zueinander parallelen, teilweise reflektierenden Endflächen und mit einem davon beabstandeten, reflektierenden Spiegel, der zu 100 % oder teilweise reflektierend sein könnte. Die beiden Komponenten werden durch eine Befestigungseinrichtung an einem Bauelement gehaltert, um die Spannung in diesem Element zu messen, wobei die Spannung in eine Dehnung umgewandelt wird und die Dehnung die Beabstandung zwischen den Komponenten verändert. Wenn sich die Beabstandung verändert, ändert sich die Frequenz aufgrund der Beabstandung und somit aufgrund der Spannung.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Zur ausführlichen Erläuterung der Art und Weise, in der die vorstehend genannten Merkmale, Vorteile und Ziele der vorliegenden Erfindung erzielt werden können, ist eine ausführlichere Beschreibung der vorstehend kurz umrissenen Erfindung unter Bezugnahme auf die in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele derselben angegeben.
Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die beigefügten Zeichnungen lediglich typische Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung darstellen und somit nicht als Einschränkung ihres Umfangs zu verstehen sind, da die Erfindung auch andere gleichermaßen wirksame Ausführungsformen zuläßt.
In den Zeichnungen zeigen:
Fig. 1 eine Lasermeßvorrichtung, die eine Spannung eines Bauelements in Form eines emittierten Laserstrahls codiert;
Fig. 2 eine isometrische Ansicht eines Lasers unter Darstellung des von einer seiner Endflächen emittierten Laserstrahls;
Fig. 3 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen einem Laserhohlraum und einem damit zusammenwirkenden Spiegel;
Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht unter Darstellung einer modifizierten Form der Reflexionsobeifläche an dem Hohlraumkörper zur Bildung einer Art eines verlängerten Hohlraums; und
Fig. 5 zueinander in Beziehung stehende graphische Darstellungen von Laserströmen gegenüber der Frequenz zur Darstellung ausgewählter Laserfrequenzen.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Zuerst wird die Aufmerksamkeit auf Fig. 1 der Zeichnungen gerichtet, in der das Bezugszeichen 10 ein Lasercodiersystem bezeichnet, das eine auf eine Säule oder ein anderes Bauelement 12 wirkende Spannungsbelastung umwandelt, wobei die Spannungsbelastung in dem Rahmenelement eine Dehnung hervorruft und die Dehnung durch die Vorrichtung 10 gemessen wird. Die Vorrichtung beinhaltet einen rechteckigen Block l4, der einem reflektierenden Spiegel 16 gegenüberliegend angeordnet ist. Eine erste Substrat- bzw. Trägerschicht 18 wird an dem Rahmenelement 12 angebracht, um den rechteckigen Block aus Lasermaterial durch Kleben oder auf andere Weise in seiner Position zu verankern. Eine ähnliche Substrat- bzw. Trägerschicht 20 verankert den Spiegel 16. Die Zusammenfügungseinrichtung beinhaltet somit die bei den Bezugszeichen 18 und 20 dargestellten Einrichtungen, die die Elemente fest in voneinander parallel beabstandeten Positionen relativ zueinander halten.
Der Laserkörper 14 besitzt eine Endfläche 22, die parallel zu der entgegengesetzten Endfläche 24 und der zusätzlichen separaten Fläche 26 ist. Die drei Flächen sind zueinander parallel, in speziellen Abständen voneinander angeordnet und wirken miteinander sowie mit dem aktiven Material des Laserkörpers 14 zusammen, um den noch zu beschreibenden kohärenten Ausgangsstrahl zu erzeugen. Der Körper 14 besitzt eine spezielle Länge 1, während die Endfläche 24 von der Spiegeloberfläche 26 mit der Distanz d beabstandet ist, wobei die Gesamtlänge des Systems mit dem Symbol L angegeben ist, wobei L = d + 1 beträgt.
Die Oberflächen 22 und 24 sind in einem geeigneten Ausmaß mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen. Die Spiegeloberfläche 26 ist für eine vollständige oder eine teilweise Reflexion beschichtet. Ausführliche Erläuterungen erfolgen in bezug auf das Reflexionsvermögen der anderen Oberflächen.
Die nachfolgend angegebene Gleichung (1) definiert die Frequenz der Laserwirkung an dem Körper 14;
(1) F mC/2nL
wobei:
F die Frequenz in Hertz,
m ein Integer,
C die Geschwindigkeit des Lichts im Vakuum,
n der Brechungsindex des im Inneren des Hohlraums vorhandenen Materials, und
L die Länge des Hohlraums in Fig. 1
bedeuten.
Es sei nun angenommen, daß der Brechungsindex des gesamten im Inneren des Hohlraums vorhandenen Materials gleich ist. Bei Ableitung von Gleichung (1) ergibt sich hinsichtlich der Länge L folgende Gleichung (2).
(2)
dF/dL = -mC/2nL²
Dies führt zu Gleichung (3), die die inkrementelle Annäherung aus Gleichung (2) darstellt.
(3)
Δf = (-mC/2nL²) ΔL
Δf = Frequenzänderung
ΔL = Längenänderung
Gleichung (3) zeigt, daß es sich bei der Beziehung um eine lineare Beziehung handelt. Das heißt, die Dehnung verursacht eine proportionale Frequenzverschiebung. Dies würde gültig bleiben, solange ΔL viel geringer als die Hohlraumlänge L ist. Es sei darauf hingewiesen, daß L die in Fig. 1 dargestellte Länge ist. Es wird nun auf Fig. 2 der Zeichnungen Bezug genommen, in der der Laserkörper 14 dargestellt ist. Dort ist zu erkennen, daß eine der Endflächen des Körpers mit einer optischen Öffnung 32 versehen ist, die in bezug auf ein XYZ-Koordinatensystem positioniert ist, wodurch ein kohärenter Strahl entlang der Z- Achse übertragen wird. Der durch die Öffnung 32 emittierte Strahl wird ansprechend auf einen Stromfluß in den Laserhohlraum hinein erzeugt. Der Körper 14 bewirkt somit ansprechend auf einen Stromfluß die Erzeugung des Laserstrahls, der aus der optischen Öffnung 32 emittiert wird, die in einer der beiden reflektierenden Endflächen ausgebildet ist.
Es wird nun auf Fig. 3 der Zeichnungen Bezug genommen, die die Arbeitsweise des Hohlraums in Zusammenwirkung mit dem davon beabstandeten Spiegel veranschaulicht. Fig. 3 zeigt die hin- und herlaufende Wellenbewegung von dem Laserhohlraum zu dem Spiegel. Der Strahl wird am Spiegel reflektiert und in den Hohlraum zurückgelenkt. Die Übergangsfläche hängt von dem Ausmaß des Reflexionsvermögens der Antireflexionsbeschichtung an der dem Spiegel zugewandten Hohlraumseite ab. Bei dieser Anordnung gemäß Fig. 3 erzeugen inkrementelle Veränderungen bei dem Abstand d inkrementelle Veränderungen bei der Frequenz. Solche kleinen Veränderungen werden sozusagen in Form von Frequenzänderungen codiert, und somit läßt sich der Abstand als Funktion der Frequenz messen.
Das Ausführungsbeispiel der Fig. 3 zeigt, wie Veränderungen in der Beabstandung bei der Distanz d in dem Frequenzausgangssignal codiert werden. Das heißt, die Ausgangsfrequenz ändert sich proportional zu den Veränderungen der Beabstandung über bestimmte Bereiche. Da sich das Ausgangssignal exakt messen läßt und sich die Verschiebung genau bestimmen läßt, kann man auch exakte Messungen der Dehnung erzielen. Es ist darauf hinzuweisen, daß diese Messung Veränderungen bei dem Bauelement entlang der Distanz d wiedergibt. Dies erfolgt dadurch, daß der externe Spiegel eine aktive Komponente des Laserhohlraums ist. Das heißt, das Material, aus dem das den Laser bildende Element besteht, bildet eine Ausgangswelle, die über eine Distanz hinweg zu dem externen Spiegel gerichtet wird, und dieses in Form eines Strahls vorliegende Signal wird dann ganz oder teilweise in den Hohlraum hinein zurückreflektiert und verstärkt den kohärenten Laserstrahl in diesem. Die aus dem Hohlraum herausgeschickte Energie wird in den Hohlraum hinein zurückreflektiert, um auf diese Weise den kohärenten Ablauf aufrechtzuerhalten. Ein wichtiger Faktor besteht in der Ausbildung einer speziellen Beschichtung an den beiden Enden des Laserhohlraums. Die Beschichtung sollte kontrollierte Reflexionseigenschaften besitzen, um sicherzustellen, daß ein erforderlicher Teil des Strahls im Inneren des Hohlraums gehalten wird, während ein Teil durch die Endfläche hindurch nach außen tritt und von dem externen Spiegel ganz oder teilweise reflektiert wird. Zu diesem Zweck kann das Reflexionsausmaß derart modifiziert werden, daß der erforderliche Reflexionstransfer stattfindet. Gleichermaßen besitzt die Endfläche auf der entgegengesetzten Seite eine kontrollierte Reflexion, so daß der emittierte kohärente Strahl eine beträchtliche Strahlleistung besitzt, wobei das Signal über eine gewisse Distanz übertragen wird, um anschließend aufgefangen und verwendet zu werden. Die bei der Anordnung mit gekoppeltem Hohlraum vorherrschende Frequenz ist somit zum Teil durch die exakte Position des externen Spiegels bestimmt, die bei Spannungsbelastung Veränderungen unterliegt, so daß eine Dehnung in der Strahlfrequenz entsprechend codiert wird.
In Fig. 4 der Zeichnungen ist der Hohlraum mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, wobei es sich bei dem Ausführungsbeispiel um eine aus Siliziummonoxid bestehende Beschichtung mit der erforderlichen Dicke handelt. Dies führt zur Entstehung der stehenden Welle zwischen dem externen Spiegel und dem abgelegenen Ende des Hohlraums 1, wie dies in Fig. 1 beschrieben ist. Mit anderen Worten verhindert die Siliziummonoxidbeschichtung ein Lasern innerhalb der Hohlraumlänge 1, und stattdessen findet ein Lasern innerhalb der verlängerten Hohlraumlänge L statt, wobei sich der vorherrschende Wellenverlauf über die Länge L erstreckt. Der verlängerte Hohlraum beinhaltet die Reflexionsfläche des externen Spiegels. In diesem Fall sind die Anderungen der Ausgangsfrequenz von Änderungen der Länge des Distanz L abhängig und codieren diese. Der Gegensatz zwischen Fig. 3 und 4 zeigt, daß die Dehnung in Fig. 4 über die Länge L betrachtet wird, in Fig. 3 jedoch nur über die kürzere Distanz d. Es ist jedoch ein beträchtlicher Unterschied in der Betriebsweise der beiden einander in Fig. 3 und 4 gegenübergestellten Hohlraumsysteme vorhanden.
Fig. 5 zeigt drei spezielle Wellenformen, die zum Verständnis der Vorrichtung sehr hilfreich sind. Die optische Verstärkung des aktiven Materials ist in Fig. 5 oben graphisch dargestellt und zeigt eine glockenförmige Kurve 42, die die optische Verstärkung der Vorrichtung (ohne Spiegel) gegenüber der Frequenz wiedergibt. Wf stellt dabei die Breite des Verstärkungsprofils dar. Es ist erkennbar, daß die mittlere graphische Darstellung 5(b) den Gütefaktor Q gegenüber den Hohlraumfrequenzen darstellt. Der Hohlraum schwingt mit speziellen Frequenzen, wie dies durch die Spitzen in der graphischen Darstellung gezeigt ist. Weiterhin zeigt Fig. 5 in der unteren graphischen Darstellung 5(c), daß das Laserausgangssignal proportional zu dem Produkt aus den beiden oberen Kurven ist, und somit ergeben sich während des Laservorgangs endliche Frequenzsignale. Indem man C/2nL macht, kann man den Laser zum Arbeiten in einer einzigen Betriebsweise veranlassen. Die inkrementelle Frequenzverschiebung geht von der festgelegten Grundfrequenz aus.
Bei dem Material, das den Laserhohlraum bildet, kann es sich um ein beliebiges herkömmliches Lasermaterial handeln, wobei Gallium- Aluminium-Arsenid als ein Beispiel zu nennen ist. Andere Materialien können verwendet werden, solange sie die entsprechenden physikalischen Parameter besitzen.
Während sich die vorstehende Beschreibung auf das bevorzugte Ausführungsbeispiel bezieht, bestimmen die Ansprüchen den Umfang der vorliegenden Offenbarung.

Claims

1. Dehnungsmeßgerät-System mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls, der nach Maßgabe der Dehnung in einem Element codiert ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Erzeugen des Laserstrahls folgendes aufweist:

(a) einen länglichen Laserkörper (14), der aus aktivem, zum Lasern geeigneten Material gebildet ist, wobei der Körper einander entgegengesetzte Enden aufweist, die durch eine erste Distanz voneinander beabstandet sind;

(b) einen Spiegel (16); und

(c) eine Befestigungseinrichtung (18, 20) zum Verbinden des Laserkörpers und des Spiegels mit jeweiligen, voneinander beabstandeten Stellen auf einem Dehnung ausgesetzten, gemeinsamen Element (12) in einer derartigen Weise, daß der Spiegel von dem Laserkörper durch eine zweite Distanz beabstandet ist sowie dazu ausgelegt ist, Licht von dem Laserkörper in den Körper zurückzulenken, wodurch der Spiegel und der Laserkörper zusammenwirken, um einen Laserstrahl mit einer von der ersten Distanz und der zweiten Distanz abhängigen Frequenz und/oder Amplitude zu schaffen, und wodurch zwischen dem Körper und dem Spiegel eine zu der Dehnung in dem Element proportionale Relativbewegung vorhanden 30 ist, die zu einer Änderung bei der zweiten Distanz führt und dadurch den Laserstrahl moduliert.

2. System nach Anspruch 1, wobei die einander entgegengesetzten Enden des Laserkörpers und des Spiegels zueinander parallel sind.

3. System nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, wobei wenigstens eines der genannten Enden des Laserkörpers eine Beschichtung zum Modifizieren seines Reflexionsvermögens aufweist.

4. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Enden des Laserkörpers ein derartiges Reflexionsvermögen aufweisen, daß ein zweiter Laser-Hohlraum zwischen den Enden gebildet ist.

5. System nach Anspruch 3, wobei das näher bei dem Spiegel gelegene Ende des Laserkörpers mit einer Antireflexionsbeschichtung beschichtet ist, so daß eine Laserwirkung im wesentlichen nur in dem zwischen dem Spiegel und dem von dem Spiegel abgelegenen Ende des Laserkörpers befindlichen verlängerten Hohlraum stattfindet.

6. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei eines der Enden des Laserkörpers mit einer Öffnung (32) zum Aussenden des Laserstrahls versehen ist.

7. System nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der Spiegel ein Reflexionsvermögen von 100 % besitzt.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Spiegel teilweise reflektierend ist.