DE8701592U1 - Laser interferometer refractometer - Google Patents
Laser interferometer refractometerInfo
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- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
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Description
Physikalische Optik 47*77 ** * --«■*Physical Optics 47*77 ** * --«■*
und Optoelektronik 785/1 30.Januar 1987and Optoelectronics 785 / 1 30 January 1987
Entwicklung-HerStellung-VertriebDevelopment-Manufacturing-Sales
Laserinterferometer-RefraktometerLaser interferometer refractometer
Die Erfindung betrifft ein Laserinterferometer-Refraktometer gemäß Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser interferometer refractometer according to the preamble of claim 1.
Bei der Anwendung von Laserxnterferometern z.B. zur Längenbestimmung ist eine genaue Kenntnis des Brechungsindexes des Gases, gewöhnlich Luft, erforderlich, in dem sich der Meß-Laserstrahl ausbreitet, da die Wellenlänge, als deren. Vielfaches sich die zu bestimmende Länge ergibt, in folgender Weise vom Brechungsindex &eegr; des Gases abhängt :When using laser interferometers, e.g. to determine length, precise knowledge of the refractive index of the gas, usually air, in which the measuring laser beam propagates is required, since the wavelength, the multiple of which gives the length to be determined, depends on the refractive index η of the gas in the following way:
L = L'/n,L = L'/n,
wobei L1 die als bekannt vorausgesetzte Laser-Wellenlänge im Vakuum und L die Laser-Wellenlänge im Gas ist. Laserinterferometer werden vorzugsweise im Genauigkeitsbereich ± 1 .E.-6 eingesetzt. Daher ist eine entsprechend genaue-Kenntnis des Brechungsindexes erforderlich. Praktisch läßt sich eine solche Genauigkeit nur interferometrisch erzielen. Durch die DE-PS 35 27 579 ist ein Laserinterferometer-Refraktometer bekannt, das zwei parallel nebeneinander liegende Kammern aufweist, durch die die beiden Teilstrahlen einer Interferometer-Anordnung hindurchgeleitet werden, um beim Ausgangszustand einer Brechzahlbestimmung möglichst identische Zustände in den beiden Kammern herstellen zu können, und um beim Messen selber in die Meßkammer möglichstwhere L 1 is the laser wavelength in vacuum, which is assumed to be known, and L is the laser wavelength in gas. Laser interferometers are preferably used in the accuracy range ± 1 .E.-6. Therefore, a correspondingly precise knowledge of the refractive index is required. In practice, such accuracy can only be achieved interferometrically. DE-PS 35 27 579 describes a laser interferometer refractometer that has two parallel chambers, through which the two partial beams of an interferometer arrangement are passed, in order to be able to produce as identical conditions as possible in the two chambers during the initial state of a refractive index determination, and in order to be able to enter the measuring chamber as precisely as possible during the measurement itself.
Dr.K./H. -2-Dr.K./H. -2-
■ * t ·■ * t ·
behinderungsfrei Umgebungsluft eintreten lassen zu können,
ist die allseitig offen ausgebildete MeSkammer mit einem
entsprechend geformten Seitendeckel vakuumdicht verschließbar und ebenfalls evakuierbar. Durch Evakuieren beider
Kammern können optisch identische Zustände in beiden erzeugt werden. Durch anschließendes öffnen der Meßkammer
kann diese frei mit der ümgebungsluft kommunizieren, so
daß die in der Meßkammer anstehende Luft optisch weitgehend
identisch ist mit der Luft, in der eine gleichzeitig undto allow ambient air to enter without obstruction,
The measuring chamber is open on all sides and has a
The side cover can be sealed vacuum-tight and evacuated. By evacuating both
Chambers can produce optically identical conditions in both. By subsequently opening the measuring chamber
can communicate freely with the ambient air, so
that the air in the measuring chamber is optically largely
is identical with the air in which a simultaneous and
in der Nähe ablaufende interferentielle Längenmessung durchgeführt wird.nearby interferential length measurement is carried out .
Die CH-PS 609 456 zeigt ein Refraktometer zur Messung f des Brechungsindexes der Luft, bei dem die geometrische J Länge der Meßstrecke durch einen Körper bestimmt ist, dessen !CH-PS 609 456 shows a refractometer for measuring f the refractive index of air, in which the geometric J length of the measuring section is determined by a body whose !
Abmessungen von den den Brechungsindex beeinflussenden Para- | metern der Luft, wie Temperatur, Druck und Feuchtigkeit, j praktisch unabhängig sein sollen. Als Körper dient eine An- S Ordnung aus einem Rohr aus Glaskeramik und zwei an den Rohr- j enden vorgesehene Umlenkprismen zur mehrfachen Umlenkung des | einen Teilstrahls innerhalb des Rohres. Durch die mehrfache ■) Umlenkung sollen die Abmessungen des Refraktometers klein ge- j halten werden. Die Anordnung befindet sich in einer Vakuum- jDimensions should be practically independent of the air parameters that affect the refractive index, such as temperature, pressure and humidity. The body is an arrangement made of a glass ceramic tube and two deflection prisms at the ends of the tube for multiple deflection of a partial beam within the tube. The dimensions of the refractometer should be kept small by the multiple deflection. The arrangement is located in a vacuum chamber .
kammer. jchamber. j
Bei diesen beiden bekannten Refraktometern wird einesIn these two well-known refractometers, one
von zwei grundsätzlich verwendeten Verfahren angewendet. ; Eine Meßzelle bekannter Lange wird abwechselnd evakuiert <
bzw. mit Gas bzw. Luft gefüllt. Dabei wird die Zahl der durch
den Austausch von Vakuum mit Gas auftretende!Interferenzstreifen
gezählt und ggf. noch interpoliert, um daraus denof two fundamentally used methods. ; A measuring cell of known length is alternately evacuated < or filled with gas or air. The number of
Interference fringes occurring during the exchange of vacuum with gas are counted and, if necessary, interpolated in order to determine the
Brechungsindex des Gases zu ermitteln. Bei diesem Verfahren
ist während der Messung der Einsatz einer Vakuumpumpe erforderlich,
was nachteilig ist. Vakuumpumpen sind teuer, störanfällig
Und erfordern regelmäßige Wartung. Wenn nicht besonders gute Und damit teure Vakuumpumpen verwendet werden,To determine the refractive index of the gas. In this method
the use of a vacuum pump is required during the measurement, which is disadvantageous. Vacuum pumps are expensive, prone to failure and require regular maintenance. If not particularly good and therefore expensive vacuum pumps are used,
-3--3-
• ■ ·· &igr;» ··• ■ ·· &igr;» ··
ill if I I Iiill if I I Ii
• ■ t I B I• ■ t I B I
so hat das im Vakuum verbleibende Restgas nicht dieselbe Zusammensetzung wie das zu messende Gas, sondern besteht im wesentlichen aus Pumpenöl sowie evtl. aus leicht kondensierbaren Gasen. Daraus ergibt sich eine prinzipielle Unsicherheit für den Brechungsindex des zu messenden Gases.The residual gas remaining in the vacuum does not have the same composition as the gas to be measured, but consists essentially of pump oil and possibly easily condensable gases. This results in a fundamental uncertainty for the refractive index of the gas to be measured.
Bei dem anderen verwendeten Verfahren werden zwei Meßzellen identischer Bauweise, insbesondere identischer geometrischer Länge, verwendet, die abwechselnd in das Interferometer eingebracht werden, wobei die eine Zelle mit dem zu messenden Gas gefüllt ist, während die andere evakuiert ' ist. Da bei diesem Verfahren eine Vakuumpumpe nur zur Herstellung des Vakuums in der einen Zelle verwendet wird, sind die beim ersten Verfahren beschriebenen Nachteile hier nicht so gravierend. Dagegen hat dieses Verfahren den Nachteil, daß nur die Interpolation zwischen den Interferenzstreifen möglich ist, da während des Zellenwechsels die Interferenz durch Strahlblockierung restlos verschwindet und daher die Bestimmung des ganzzahligen Teiles der Interferenzordnung nicht möglich ist. Der ganzzahlige Teil muß durch Messung von Temperatur und Druck des zu messenden Gases sowie evtl. seiner Zusammensetzung näherungsweiso ermittelt werden. Daher sind solche Refraktometer im Prinzip f nur Geräte zur Erhöhung der Genauigkeit von sogenannten kommerziell erhältlichen "Luftparameter-Kompensatoren". { The other method used uses two measuring cells of identical design, in particular identical geometric length, which are alternately introduced into the interferometer, with one cell being filled with the gas to be measured while the other is evacuated. Since in this method a vacuum pump is only used to create the vacuum in one cell, the disadvantages described in the first method are not so serious here. On the other hand, this method has the disadvantage that only interpolation between the interference fringes is possible, since during the cell change the interference disappears completely due to beam blocking and therefore the determination of the integer part of the interference order is not possible. The integer part must be determined approximately by measuring the temperature and pressure of the gas to be measured and possibly its composition. Therefore, such refractometers are in principle only devices for increasing the accuracy of so-called commercially available "air parameter compensators". {
Ein solches Verfahren ist auf der Tagung "Laserinterferometrie in der Längenmeßtechnik" bei der PTB in Braunschweig am 12./13.3.1985, veranstaltet von der VDI/VDE Gesellschaft Meß- und Regelungstechnik, bekannt geworden.Such a procedure was introduced at the conference "Laser interferometry in length measurement technology" at the PTB in Braunschweig on March 12th/13th, 1985, organized by the VDI/VDE Society for Measurement and Control Technology.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Laserinterferometer-Refraktometer der eingangs genannten „The object of the present invention is to provide a laser interferometer refractometer of the initially mentioned „
Art so auszubilden, daß eine höhere Meßgenauigkeit erzielbar ist und die Nachteile der bekannten Anordnungen vermieden sind. Diese Aufgabe wird durch die Ausbildung gemäß Kennzeichen des Anspruchs 1 gelöst.The aim of the invention is to design the device in such a way that a higher measurement accuracy can be achieved and the disadvantages of the known arrangements are avoided. This object is achieved by the design according to the characterizing part of claim 1.
1.1.
• » «» M «III ··• » «» M «III ··
Die Erfindung schlägt also vor, den durch die Vakuumzelle gebildeten Teil der geometrischen Weglänge variabel zu gestalten bei konstanter geometrischer Gesamtweglänge;-. Hierdurch kann der Anteil des Laufweges im Vakuum und entsprechend im zu messenden Gas beliebig geändert werden, wodurch eine Änderung der optischen Weglänge erzielbar ist. Die infolge dieser Änderung hervorgerufene Zahl an Interferenzstreifen ist exakt meßbar. Da diese Zahl proportional zur Laufwegänderung im Vakuum bzw. im zu messenden Gas und zur Differenz zwischen Vakuum- und Gasbrechungsindex ist, ist bei Kenntnis der Laufwegänderung der Brechungsindex mit sehr hoher Genauigkeit ermittelbar. Die Vakuumzelle wird nur einmal evakuiert und bleibt ständig unter Vakuum. Hierdurch treten die eingangs erläuterten, durch die Vakuumpumpe bedingten Nachteile des einen Verfahrens nicht mehr auf. Eine Messing der den Brechungsindex beeinflussenden Parameter wie beim anderen oben erläuterten Verfahren ist auch nicht erforderlich, da berm Meßvorgang eine Strahlblockierung nicht auftritt. The invention therefore proposes that the part of the geometric path length formed by the vacuum cell be made variable with a constant overall geometric path length;-. This means that the proportion of the path in the vacuum and accordingly in the gas to be measured can be changed as desired, whereby a change in the optical path length can be achieved. The number of interference fringes caused by this change can be measured exactly. Since this number is proportional to the change in path in the vacuum or in the gas to be measured and to the difference between the vacuum and gas refractive index, the refractive index can be determined with very high accuracy if the change in path is known. The vacuum cell is only evacuated once and remains under vacuum at all times. This means that the disadvantages of one method explained at the beginning, caused by the vacuum pump, no longer occur. A messing of the parameters influencing the refractive index as in the other method explained above is also not necessary, since beam blockage does not occur during the measurement process.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. Advantageous and expedient further developments of the solution to the problem according to the invention are characterized in the subclaims.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert werden.
Es zeigtThe invention will be explained in more detail below with reference to the accompanying drawing.
It shows
Fig. 1 schematisch eine erste AusführungsformFig. 1 schematically shows a first embodiment
des erfindungsgemäßen Laserinterferometer-Refraktometers undof the laser interferometer refractometer according to the invention and
Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des 0 Refraktometers.Fig. 2 a second embodiment of the 0 refractometer.
Das in der Zeichnung dargestellte Laserinterferometer-Refraktometer weist einen Laser 1 auf, dessen Lichtstrahl 17 auf einen Strahlteiler 12 geführt ist, der den Lichtsträhl in zwei Teilstrahlen 18 und 19 aufspaltet. Der Teilsträhl 18 wird von einem Strahlumlenker 11 so umgelenkt, daß er imThe laser interferometer refractometer shown in the drawing has a laser 1, whose light beam 17 is guided to a beam splitter 12, which splits the light beam into two partial beams 18 and 19. The partial beam 18 is deflected by a beam deflector 11 so that it
11 llii Il ■· «**.rrr 11 llii Il ■· «**. rrr
jj",J !&igr; · «· ·jj", J !&igr; · «· ·
• > 1&Igr;· ■ t_*J JJ• > 1&Igr;· ■ t_*J JJ
wesentlichen parallel zum anderen Teilstrahl 19 verläuft. Die Teilstrahlen 18 und 19 fallen dann auf einen Strahlaufspalter 1O, der den Teilstrahl 18 in zwei weitere Teilstrahlen 20 und 20' und den Teilstrahl 19 in zwei weitere Teilstrahlen 21 und 21' aufspaltet. Im Laufweg des Teilstrahls 20 befindet sich eine Vakuumzelle 25.runs essentially parallel to the other partial beam 19. The partial beams 18 and 19 then fall on a beam splitter 10, which splits the partial beam 18 into two further partial beams 20 and 20' and the partial beam 19 into two further partial beams 21 and 21'. In the path of the partial beam 20 there is a vacuum cell 25.
Die Vakuumzelle 25 besfeht aus einem Faltenbalg 2, der beidendig von Endplatten 4 und 5 vakuumdicht abgeschlossen ist. In den Endplatten 4 und 5 befinden sich Fenster 6 und 6', auf denen Retroreflektoren 8 und 7 angeordnet sind. Der Retroreflektor 8 ist außen auf der Endplatte 4 angeordnet und der Retroreflektor 7 auf der Innenseite des Fensters 6'. Der Retroreflektor 8 kann auch auf der Innenseite der Endplatte innerhalb der Vakuumzelle 25 angeordnet sein; in diesem Falle braucht die Endplatte kein Fenster oder keinen Durchbruch aufzuweisen. Der Retroreflektor 7 kann alternativ auf der Außenseite des Fensters 6* angeordnet sein. Seine Abmessungen sind geringer als die des Fensters 6', so daß ein ringförmiger Fensterbereich freibleibt für den Teilstrahl 20.The vacuum cell 25 consists of a bellows 2 which is sealed vacuum-tight at both ends by end plates 4 and 5. In the end plates 4 and 5 there are windows 6 and 6' on which retroreflectors 8 and 7 are arranged. The retroreflector 8 is arranged on the outside of the end plate 4 and the retroreflector 7 on the inside of the window 6'. The retroreflector 8 can also be arranged on the inside of the end plate within the vacuum cell 25; in this case the end plate does not need to have a window or opening. The retroreflector 7 can alternatively be arranged on the outside of the window 6*. Its dimensions are smaller than those of the window 6' , so that an annular window area remains free for the partial beam 20.
In der Endplatte 4 befindet sich ein verschließbarer Evakuierungsstützen, beispielsweise in Form eines Rohransatzes. Der Evakuierungsstutzen kann aber auch an beliebig anderer geeigneter Stelle der Vakuumzelle vorgesehen werden.In the end plate 4 there is a lockable evacuation support, for example in the form of a pipe extension. The evacuation nozzle can also be provided at any other suitable location in the vacuum cell.
Im Laufweg der Teilstrahlen 20' und 21' ist ein dritter Retroreflektor 9 vorgesehen, der diese Teilstrahlen parallel zu sich selbst reflektiert.A third retroreflector 9 is provided in the path of the partial beams 20' and 21', which reflects these partial beams parallel to itself.
Die zur Interferenz gebrachten Teilstrahlen 20 und 20' bzw. 21 und 21* fallen auf Fotodioden 14, 15 bzw. 13, 16, mit denen die Interferenzstreifen gemessen werden» Die Ausgangssignale der Fotodioden werden einer nxcht dargestellten Auswert eeinr ich tung zugeführt, die aus den Signalen der Fotodetektoren den Brechungsindex errechnet.The partial beams 20 and 20' or 21 and 21* caused to interfere fall on photodiodes 14, 15 or 13, 16, with which the interference fringes are measured. The output signals of the photodiodes are fed to an evaluation device (not shown) which calculates the refractive index from the signals of the photodetectors.
Der Strahlaufspalter 10, die Endplatte 4 däif Vakuumzelle 25 und der dritte Retroreflektor 9 sind ortsfest angeordnet,<< Die Endplatte 5 der Vakuumzelle 25 ist vermittels einer1 nichtThe beam splitter 10, the end plate 4 of the vacuum cell 25 and the third retroreflector 9 are arranged in a fixed position. The end plate 5 of the vacuum cell 25 is not
dargestellten Vorrichtung in Richtung des Doppelpfeiles 26,
d.h. in Richtung der Laufwege der Teilstrahlen 20 und 21
verschiebbar. Das Läserinterfeiförneter-Refräktömeter gemäß
Zeichnung arbeitet wie folgt :shown device in the direction of the double arrow 26,
ie in the direction of the paths of the partial beams 20 and 21
The laser interferometer-refractometer according to
Drawing works as follows:
Der im StrahlaufSpalter 10 erzeugte Teilsträhl 20 tritt
durch das Fenster 6' in die Vaküumzelle 25 ein und fallt nach
Durchlaufen derselben auf den Retroreflektor 8, der den Teilstrahl parallel zu sich selbst reflektiert. Der reflektierteThe partial jet 20 generated in the jet splitter 10 enters
through the window 6' into the vacuum cell 25 and falls to
Passing through the same to the retroreflector 8, which reflects the partial beam parallel to itself. The reflected
I Teilstrahl trifft nach nochmaligem Durchlaufen der Vakuumzelle \ I Partial beam hits after passing through the vacuum cell again \
und des Fensters 6' auf den Strahlaufspalter 10. Der andere \ and the window 6' onto the beam splitter 10. The other \
Teilstrahl 20' trifft auf den dritten Retroreflektor 9, wird IPartial beam 20' hits the third retroreflector 9, becomes I
dort parallel zu sich selbst reflektiert und trifft bei ent- jthere parallel to itself and meets at ent- j
sprechendem Aufbau der optischen Anordnung den Strahlauf- Jappropriate structure of the optical arrangement the beam J
spalter 10 an derselben Stelle wie der Teilstrahl 20/ an der |splitter 10 at the same position as the partial beam 20/ at the |
sich die Teilstrahlen 20 und 20' vereinigen. Dort interferieren \ the partial beams 20 and 20' unite. There, \
die Teilstrahlen 20 und 20' miteinander, Und die entstehenden jthe partial beams 20 and 20' with each other, and the resulting j
Interferenzstrahlen 22 und 22' treffen auf die Fotodetektoreri &xgr;Interference beams 22 and 22' strike the photodetectors &xgr;
15 und 14. j15 and 14. j
Der durch den Strahlaufspalter 10 erzeugte Teilstrahl 21 [The partial beam 21 generated by the beam splitter 10 [
wird ebenfalls durch das Fenster 6' der Vakuumzelle 25 geleitet fis also passed through the window 6' of the vacuum cell 25 f
I und fällt auf den zweiten Retroreflektor 1, der den Teilstrahl fI and falls on the second retroreflector 1, which reflects the partial beam f
21 parallel zu sich selbst reflektiert. Der reflektierte Teil- I strahl 21 trifft nach nochmaligem Durchlaufen des Fensters 6 |21 parallel to itself. The reflected partial beam 21 hits the window 6 |
j auf den Strahlaufspalter 10. Der andere durch den Strahlauf- | spalter 10 erzeugte Teilstrahl 21' wird vom dritten Retro- |j onto the beam splitter 10. The other partial beam 21' generated by the beam splitter 10 is | reflected by the third retro- |
reflektor 9 parallel zu sich selbst reflektiert und trifft Ireflector 9 parallel to itself and hits I
I bei entsprechendem Aufbau der optischen Anordnung den Strahl- |I with appropriate design of the optical arrangement the beam |
aufspalter 10 an derselben Stelle wie der Strahl 21, an der |splitter 10 at the same place as the beam 21, at the |
die beiden Teilstrahlen 21 und 21' vereinigt werden. An der ■the two partial beams 21 and 21' are combined. At the ■
Stelle interferieren die beiden Teilstrahlen 21 und 21', und \ The two partial beams 21 and 21' interfere, and \
die entstehenden Interferenzstrahlen 23 und 23' treffen auf \ the resulting interference beams 23 and 23' hit \
die Fotodetektoren 16 und 13. \ the photodetectors 16 and 13. \
Der Strahlaufspalter 10, die Endplatte 4 mit Retrore- \ The beam splitter 10, the end plate 4 with retrore- \
flektor 8 und der Retroreflektor 9 sind relativ zueinander jreflector 8 and the retroreflector 9 are relative to each other j
ortsfest angeordnet. Hierdurch ist die geometrische Weglänge |arranged in a fixed position. This means that the geometric path length |
des Teilstrahls 20 vom Strahlaufspalter 10 Über die Vakuumzelle und den Retroreflektor 8 zurück bis zürn Strahlaufspalter 10 konstant und unabhängig von der Stellung der Endplatte 5 mit Fenster 6' Und Retroref lektoir 7. Die öptische Weglänge des Teilstrahls 20 allerdings ist von der Lage der Endplatte 5 mit Fenster 61 und Reflektor 7 abhängig/ da abhängig von der Stellung der Endplatte unterschiedliche Anteile des Laufwegs im Vakuum und entsprechend im zu messenden Ga.8 verlevifen =of the partial beam 20 from the beam splitter 10 via the vacuum cell and the retroreflector 8 back to the beam splitter 10 is constant and independent of the position of the end plate 5 with window 6' and retroreflector 7. The optical path length of the partial beam 20, however, depends on the position of the end plate 5 with window 6 1 and reflector 7/ since, depending on the position of the end plate, different parts of the path are lost in the vacuum and accordingly in the gas to be measured.8 =
Die optische Weglänge des anderen Teilstrahls 20' dagegen ist konstant. Daher kommt es bei einerBewegung der Endplatte 5 mit dem Fenster 6' und dem Retroreflektor 7 zu Interferenzerscheinungen in den Interferenzstrahlen 22 und 22' (Interferenzstreifen), die durch die Fotodetektoren und 14 gemessen werden. Die Zahl der Interferenzstreifen ist dabei proportional zu der Lageänderung der Endplatte 5 und zur Differenz zwischen dem Vakuum- und GasbrechungsindeJi.The optical path length of the other partial beam 20', on the other hand, is constant. Therefore, when the end plate 5 moves with the window 6' and the retroreflector 7, interference phenomena occur in the interference beams 22 and 22' (interference fringes), which are measured by the photodetectors and 14. The number of interference fringes is proportional to the change in position of the end plate 5 and to the difference between the vacuum and gas refraction index Ji.
Wie beim Teilstrahl 20 ist auch die optische Weglänge des Teilstrahls 21 von der Stellung der Endplatte 5 abhängig, jedoch nicht wegen der unterschiedlichen Brechungsindizes von Gas und Vakuum, sondern wegen der Abhängigkeit der geometrischen Weglänge von der Stellung der Endplatte 5. Wie beim Strahl 20' ist dagegen die optische Weglänge des Teilstrahls 21' konstant. Daher bildet das aus den Teilstrahlen 21 und 21' sowie den Retroreflektoren 7 und 9 und dem Strahlaufspalter 10 bestehende optische System ein Interferometer zur präzisen Messung der Verschiebung der Endplatte 5. Die Auswertung der ermittelten Meßdaten geschieht folgendermaßen :As with the partial beam 20, the optical path length of the partial beam 21 is also dependent on the position of the end plate 5, but not because of the different refractive indices of gas and vacuum, but because of the dependence of the geometric path length on the position of the end plate 5. As with the beam 20', however, the optical path length of the partial beam 21' is constant. Therefore, the optical system consisting of the partial beams 21 and 21' as well as the retroreflectors 7 and 9 and the beam splitter 10 forms an interferometer for the precise measurement of the displacement of the end plate 5. The evaluation of the measured data is carried out as follows:
Wenn die Endplatte 5 um einen Weg &zgr; verschoben wird, so ist die Zahl der von den Fotodetektoren 13 und 16 erfaßten InterferenzstreifenIf the end plate 5 is displaced by a distance ζ, the number of interference fringes detected by the photodetectors 13 and 16 is
NO = 2 · z· n/L',
während die Zahl der von den Fotodetektoren 14 und 15 erfaßten
InterferenzstreifenNO = 2 · z· n/L',
while the number of interference fringes detected by the photodetectors 14 and 15
N1 = 2 · z· (n-D/L1 N1 = 2 · z· (nD/L 1
a · 9 I ■ · · _Q i_ * *a · 9 I ■ · · _Q i_ * *
ist. Durch Elimination von &zgr; erhält man daraus &eegr; = NO/(N0-'N1) bzw. n-1 = N1 /(N0-N1).By eliminating ζ we get η = NO/(N0-'N1) or n-1 = N1 /(N0-N1).
Hieraus ergibt sich, daß NO um den Faktor n/(n-1) größer ist als Ni. Der Brechungsindex für Luft beträgt 1,0003. Hierfür wäre NO also etwa um den Faktor 3000 größer als N1.This means that NO is larger than Ni by a factor of n/(n-1). The refractive index for air is 1.0003. Therefore, NO would be larger than N1 by a factor of about 3000.
Von besonderer Bedeutung für ein entfernungsmessendes Laserinterferometer ist die Größe
1/n = 1-N1/NO.Of particular importance for a distance-measuring laser interferometer is the size
1/n = 1-N1/NO.
j*,,,,,^^ "&Pgr;&Igr;&lgr;&Igr;-. 1 «~~» *·.!-» ~ — wl~ UlJ. «» ~. -3 · TT J T —1 J Jl. C .. .«j*,,,,,^^ "&Pgr;&Igr;&lgr;&Igr;-. 1 «~~» *·.!-» ~ — w l~ UlJ. «» ~. -3 · TT JT —1 J Jl. C .. .«
1/n wie folgt :1/n as follows:
h (1/n) = (Ni/NO) · (SN1/N1+ &dgr; NO/NO) =0 ,0003 ·( S N1 /N1 + £>N0 /NO) h (1/n) = (Ni/NO) · (SN1/N1+ δ NO/NO) =0 ,0003 · ( S N1 /N1 + £>N0 /NO)
Unter den vernünftigen Annahmen, daß NO und N1 mit derselben relativen Genauigkeit meßbar sind ( 6 N1/N1= &iacgr;>&Ngr;0/&Ngr;0) , da beide Größen durch denselben Weg &zgr; bestimmt sind, und daß NO auf &dgr; N0 = 4-1 bestimmbar ist, erhält man mit N1=1 (entsprechend NO Ri 3000) &dgr; (1/n) « 2.E-7. Mit dieser Genauigkeit ließe sich also der Brechungsindex &eegr; messen, wenn bei einer Laser-Wellenlänge von ca. 600 nm (He-Ne-Laser) die bewegliche Einheit um ca. 1 mm verschoben wird. Dies setzt allerdings voraus, daß die Bedingung N1=1 (d.h* genau ein Interferenzstreifen ist an den Fotodetektoren 14 und 15 gemessen worden) mit einer Genauigkeit von 0,0003 festgelegt werden kann; mit anderen Worten : Es ist eine Streifen-Interpolation um den Faktor 3000 möglich. Eine solche Genauigkeit ist labormäßig sicher zu handhaben; für ein Gerät für den praktischen Einsatz ist ein vorsichtigerer Ansatz nötig. In der Praxis sollte eine Streifen-Interpolation um den Faktor 100 möglich sein (es ist keine hohe Meßgeschwindigkeit erforderlich). Will man damit &C\/n)< 1 .E-6 erreichen,, so erhält man : N1 s; 4 bzw. ze 4 mnu Die Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Laserinterferometer-Refraktometers. Der grundsätzliche Aufbau entspricht dem Aufbau des Refraktometers nach Fig. 1, iso daß zur Vereinfachung Bauteile, die identisch sind mit denen des Refraktometers nach Fig. 1, die gleichen Bezugsziffern aufweisen wie in der Fig. 1. Hinsichtlich dieser Bauteile wird Bezug geiiommcv» aiuf die Beschreibung der Fig.1.Under the reasonable assumptions that NO and N1 can be measured with the same relative accuracy ( 6 N1/N1= ν>ν0/ν0) since both quantities are determined by the same path ζ, and that NO can be determined to δ N0 = 4-1, one obtains δ (1/n) « 2.E-7 with N1=1 (corresponding to NO Ri 3000). With this accuracy, the refractive index η could therefore be measured if the movable unit is displaced by approx. 1 mm at a laser wavelength of approx. 600 nm (He-Ne laser). This presupposes, however, that the condition N1=1 (ie* exactly one interference fringe has been measured on the photodetectors 14 and 15) can be determined with an accuracy of 0.0003; in other words: a strip interpolation by a factor of 3000 is possible. Such accuracy can be safely handled in the laboratory; for an instrument for practical use a more cautious approach is necessary. In practice a strip interpolation by a factor of 100 should be possible (high measuring speed is not required). If one wants to achieve &C\/n)< 1 .E-6, one gets: N1 s; 4 or ze 4 mnu Fig. 2 shows another embodiment of a laser interferometer refractometer. The basic structure corresponds to the structure of the refractometer according to Fig. 1, so that for simplicity components which are identical to those of the refractometer according to Fig. 1 have the same reference numerals as in Fig. 1. With regard to these components reference is made to the description of Fig. 1.
Die Retroreflektoren der Ausführungsform nach Fig. 1 (auch Tripelprismen genannt}· sind bei der Ausfühirungsforin nach FIg4 2 ersetzt durch Spiegel 30, 32, 34. Da die Teilstrahleh 20, 20', 21 und 21' in sich reflektiert werden, müssen zur Vermeidung von Rückkopplungen in den Laser im Weg dieser Teilstrahlen &lgr;/4-Plättchen 36 t 38 angeordnet werden, und muß der Strahlteiler 12 nach Fig. 1 als polarisierender Strahlteiler ausgeführt sein, oder es muß zwischen der Anordnung aus Strahlteiler 12 und Strahlumlenker 11 und dem Strahlaufspalter 10 ein polarisierender Strahlteiler 40 angeordnet werden, wie dies in der Fig. 2 dargestellt ist. Der Spiegel 34 kann durch eine rückseitige Verspiegelung 34' des &Lgr;/4-Plättchens 38 realisiert werden.The retroreflectors of the embodiment according to Fig. 1 (also called triple prisms) are replaced by mirrors 30, 32, 34 in the embodiment according to Fig . 42. Since the partial beams 20, 20', 21 and 21' are reflected in themselves, λ/4 plates 36 to 38 must be arranged in the path of these partial beams in order to avoid feedback into the laser, and the beam splitter 12 according to Fig. 1 must be designed as a polarizing beam splitter, or a polarizing beam splitter 40 must be arranged between the arrangement of beam splitter 12 and beam deflector 11 and the beam splitter 10, as shown in Fig. 2. The mirror 34 can be realized by a rear-side mirror coating 34' of the λ/4 plate 38.
Die Teilstrahlen 20 und 20' bzw. 21 und 21", die miteinander interferieren sollen, werden analog wie bei der Ausführungsform nach Fig. 1 wieder im Strahlteiler 10 miteinander vereinigt. Die beiden Interferenzstrahlen 22 und 23 fallen auf zwei Fotodioden 44 und 46. Die Verwendung des zusätzlichen polarisierenden Strahlteilers 40 hat den Vorteil, daß auch noch die Interferenzteilstrahlen 22' und 23' aus dem Strahlaufspalter 10 durch Fotodioden 50, 52 erfaßt werden können. Die Ausgangssignale der Fotodioden werden wiederum einer Auswerteschaltung (nicht dargestellt) zugeführt sur Ermittlung des Brechungsindex in dem zu messenden Gas, wie dies oben schon anhand der Fig. beschrieben worden ist.The partial beams 20 and 20' or 21 and 21", which are intended to interfere with each other, are combined in the beam splitter 10 in a manner analogous to the embodiment according to Fig. 1. The two interference beams 22 and 23 fall on two photodiodes 44 and 46. The use of the additional polarizing beam splitter 40 has the advantage that the interference partial beams 22' and 23' from the beam splitter 10 can also be detected by photodiodes 50, 52. The output signals of the photodiodes are in turn fed to an evaluation circuit (not shown) to determine the refractive index in the gas to be measured, as has already been described above with reference to the figure.
Bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 erfolgt die Messung der Lageänderung der Endplatte 5 durch eine interferometrische Messung. Zur Erzielung einer ausreichenden Genauigkeit kann diese Lageänderung aber auch durch Präzisionsantriebsspindeln und geeignete Wegaufnehmer 48 (s. Fig. 2) ermittelt werden. In diesem Falle können der Strahlteiler 12 und der Strahlumlenker 11 sowie die Strahlumlenker 7 bzw. 32 bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 entfallen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 kann dann auch noch auf die Fotodioden 46 und 52 verzichtet werden. Entsprechend kannIn the embodiments according to Fig. 1 and 2, the change in position of the end plate 5 is measured by an interferometric measurement. To achieve sufficient accuracy, this change in position can also be determined by precision drive spindles and suitable displacement sensors 48 (see Fig. 2). In this case, the beam splitter 12 and the beam deflector 11 as well as the beam deflectors 7 and 32 can be omitted in the embodiments according to Fig. 1 and 2. In the embodiment according to Fig. 2, the photodiodes 46 and 52 can also be omitted. Accordingly,
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bei der Ausführungsform nach Fig. 1 auf die beiden Fotodioden. 13 und 16 verzichtet werden. Schließlich ist es bei der Ausführungsform nach Fig. 1 noch möglich, überhaupt auf Paare von Fotodetektoren zur Erfassung der Interferenzen zu verzichten, so daß bei der einfachsten Ausführung mit interferometrischer Messung der Lageänderung der Endplatte 5 nur die Detektoren 15 und 16 oder 13 und 14 verwendet werden oder bei Verzicht auf die interferometrische Messung nur noch der Detektor 15 oder 14 verwendet wird.in the embodiment according to Fig. 1, the two photodiodes 13 and 16 can be dispensed with. Finally, in the embodiment according to Fig. 1, it is still possible to dispense with pairs of photodetectors for detecting the interference, so that in the simplest embodiment with interferometric measurement of the change in position of the end plate 5, only the detectors 15 and 16 or 13 and 14 are used, or if the interferometric measurement is dispensed with, only the detector 15 or 14 is used.
Um eine Lageänderung der Endplatte 5 der Vakuumzelle bei den Ausführungsformen nach den Fig. 1 und 2 zu erzielen, ist der Mantel der Vakuumzelle 25 als Faltenbalg 2 ausgebildet. Anstelle eines Faltenbalges kann auch ein kugelförmiger nachgiebiger Hohlkörper 51 (in Fig. 2 gestrichelt eingezeichnet), ein ellipsoxdformiger nachgiebiger Hohlkörper (nicht dargestellt) oder eine Teleskopanordnung von Rohren (nicht dargestellt) verwendet werden, die gegeneinander mit Hilfe von Gleitdichtungen vakuumdicht abgedichtet sind.In order to achieve a change in the position of the end plate 5 of the vacuum cell in the embodiments according to Figs. 1 and 2, the casing of the vacuum cell 25 is designed as a bellows 2. Instead of a bellows, a spherical, flexible hollow body 51 (shown in dashed lines in Fig. 2), an ellipsoid-shaped, flexible hollow body (not shown) or a telescopic arrangement of tubes (not shown) can also be used, which are sealed against each other in a vacuum-tight manner using sliding seals.
Statt des Lasers 1 und des aus dem Strahlenteiler 12 und dem Strahlumlenker 11 bestehenden optischen Systems können auch zwei Laser zur Erzeugung der beiden Strahlen 18 und 19 verwendet werden.Instead of the laser 1 and the optical system consisting of the beam splitter 12 and the beam deflector 11, two lasers can also be used to generate the two beams 18 and 19.
Die &Lgr;/4-Plättchen 36, 38 in den Laufwegen der Teilstrahlen 20, 20', 21 und 21' können durch ein &lgr;/4-Plättchen (gestrichelt in der Fig. 2 eingezeichnet) zwischen den Strahlteilern 10 und 40 ersetzt werden oder zwischen den Strahlteilern 10 und 12, falls der Strahlteller 40 fehlt.The λ/4 plates 36, 38 in the paths of the partial beams 20, 20', 21 and 21' can be replaced by a λ/4 plate (shown in dashed lines in Fig. 2) between the beam splitters 10 and 40 or between the beam splitters 10 and 12 if the beam plate 40 is missing.
Das Umlenkmittel 8 kann auch außerhalb der Vakuumzelle bzw. des Fensters 6 angeordnet sein, wodurch beispielsweise die übertragung von Schwingungen aufgrund der Bewegung der Endplatte 5 vermieden wird.The deflection means 8 can also be arranged outside the vacuum cell or the window 6, whereby, for example, the transmission of vibrations due to the movement of the end plate 5 is avoided.
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Claims (22)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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DE8701592U DE8701592U1 (en) | 1987-02-03 | 1987-02-03 | Laser interferometer refractometer |
Applications Claiming Priority (1)
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DE8701592U DE8701592U1 (en) | 1987-02-03 | 1987-02-03 | Laser interferometer refractometer |
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ID=6804262
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DE (1) | DE8701592U1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0277496A2 (en) * | 1987-02-03 | 1988-08-10 | Spindler & Hoyer GmbH & Co.KG. | Laser interferometer-refractometer |
-
1987
- 1987-02-03 DE DE8701592U patent/DE8701592U1/en not_active Expired
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP0277496A2 (en) * | 1987-02-03 | 1988-08-10 | Spindler & Hoyer GmbH & Co.KG. | Laser interferometer-refractometer |
EP0277496A3 (en) * | 1987-02-03 | 1989-05-03 | Spindler & Hoyer Gmbh & Co.Kg. | Laser interferometer-refractometer |
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