EP0357754A1 - Arrangement for determining wavelength or refractive index - Google Patents

Arrangement for determining wavelength or refractive index

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Publication number
EP0357754A1
EP0357754A1 EP19890903482 EP89903482A EP0357754A1 EP 0357754 A1 EP0357754 A1 EP 0357754A1 EP 19890903482 EP19890903482 EP 19890903482 EP 89903482 A EP89903482 A EP 89903482A EP 0357754 A1 EP0357754 A1 EP 0357754A1
Authority
EP
European Patent Office
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partial
beams
pair
frequency
medium
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP19890903482
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Ernst LÖBACH
Gerhard Leuchs
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
Application filed by Individual filed Critical Individual
Publication of EP0357754A1 publication Critical patent/EP0357754A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J9/0246—Measuring optical wavelength
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • 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
    • G01N21/45—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length using interferometric methods; using Schlieren methods
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J9/00—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength
    • G01J9/02—Measuring optical phase difference; Determining degree of coherence; Measuring optical wavelength by interferometric methods
    • G01J2009/0207—Double frequency, e.g. Zeeman

Definitions

  • the invention relates to a device for determining the wavelength of light beams in a medium or the refractive index of this medium, with at least two dimensional standards of different lengths, each of which has a different geometric path difference of two Partial beam bundle formed in a beam splitter defines, wherein one of the partial beam bundles of such a partial beam bundle passes through a distance defined by the associated measuring standard in the medium, and in which an at least one photoelectric detector device is provided, with which the two recombined partial beam bundles each are formed in a partial beam bundle formed output beams can be analyzed.
  • the wavelength prevailing in a medium (hereinafter referred to as air wavelength for short) is often determined by mechanically displacing an auxiliary reflector by a distance defined by a measure of embodiment, the displacement path being simultaneously measured interferometrically in units of the air wavelength.
  • a comparison provides the searched air wavelength even at completely unknown frequency and completely unknown refractive index of the medium.
  • the above condition for the initial wavelength uncertainty obviously depends on the length of the material measure. (If the above inequality is adhered to, it is also said that the "wavelength lies in the free spectral range of the material measure".) If the material measure has a short length, the requirement for the initial wavelength uncertainty is advantageously low. On the other hand, the measuring accuracy that can be achieved with a short measuring standard is also less than with a long one.
  • the object of the invention is to provide an inexpensive and compact device of the type mentioned at the beginning, with which the wavelength in a medium (or, if the frequency is known, the refractive index of the medium therefrom) without the use of movable components even with a relatively large one wavelength uncertainty can be immobilized quickly and extremely precisely.
  • the material measures are static material measures, the length of which does not change in operation, in that a device is provided for generating two light beams of different frequencies, one partial beam from the light beam of the one frequency and one partial beam of a partial beam pair and a partial beam from the light beam of the other frequency each represent the other partial beam of a pair of partial beams, and that the photoelectric detector means has a phase detector which detects vibration in each output beam.
  • the device according to the invention works heterodyne, that is to say with two different frequencies of known frequency difference.
  • This allows the use of simple, completely static material measures (etalons), eg mirrors arranged at a certain fixed distance.
  • etalons eg mirrors arranged at a certain fixed distance.
  • the phase position of the beat oscillation is measured, which arises when a partial beam of one frequency with the partial beam of the other frequency, a path difference or a phase shift against the one by running over a distance defined in the medium by the respective dimensions Partial beams are experienced, recombined and superimposed.
  • the method according to the invention is based on the knowledge that the directly immeasurable phase shift of two rapidly oscillating partial beams, which depends on the difference in the path of these partial beams, is reflected in the phase position of the beat oscillation, which is approximately in the megahertz range, which can be easily detected with today's electronic devices. From the phase position of the beat oscillation one knows the phase position of the two partial beams of a partial beam pair and thus their optical path difference. Together with the known geometrical path difference determined by the respective measuring standard, the air wavelength of the partial beam bundle guided in the medium begins, provided the initial wavelength uncertainty for the respective measuring standard lies in the free wavelength range ( ⁇ / ⁇ ⁇ / 2l). Starting from the smallest measuring standard (low requirement for initial wavelength uncertainty), increasingly longer measuring standards (in which the same air conditions prevail) can be used to gradually specify the air wavelength.
  • the device according to the invention for determining the wavelength can be used particularly advantageously in heterodyne-operated interferometer arrangements, where the device for generating two light beams is different Frequency is already part of the interferometer itself, i.e. two light beams of different frequencies already exist.
  • the device according to the invention can, however, also be used in homodyne (operated at a frequency) arrangement, in that from the interferometer light beam by means of a suitable device, for example by means of an acousto-optical crystal, two light beam beams of different frequencies for heterodyne operation according to the invention tiered etalons are formed.
  • the frequencies of the two different frequency light beams must be known. This can be done by using a frequency standard as the light source, or by a suitable addition to the stepped etalons, for example by a quartz etalon, which will be explained in more detail later.
  • FIG. 1 shows an embodiment of the device according to the invention as a wavelength determination device in an interferometer arrangement for determining the displacement of a movable component
  • FIG. 2 shows another embodiment of the device according to the invention as an absolute refractometer.
  • the laser interferometer arrangement shown in FIG. 1 works according to the so-called heterodyne method, in which two partial beams with slightly different frequencies are used.
  • a laser diode 1 emits monochromatic, infrared light, which is collected by the lens 2 and focused on the acousto-optical crystal 3.
  • the downstream lens 4 aligns the two partial beams in parallel.
  • a beam splitter 5 which has a semi-transparent mirror layer, which is formed by the half-mirrored diagonal surface of a cube made of glass, directs a part of both partial beams in the direction of the measuring interferometer component 6, in which the partial beam f 1 and that on the movable component 7 via a connecting rod connected reflector 8 running other partial beam are superimposed and fed to a photodetector 9 which is connected to an electronic evaluation device 9 '.
  • Said measuring interferometer component 6 consists only of two semi-transparent mirror surfaces which are arranged for protection within quartz glass bodies.
  • the amplitude of the total radiation impinging on the photodetector 9 changes with the resting vibration frequency ⁇ f of the two partial beams, which is counted in the evaluation device 9 '.
  • ⁇ f which is approximately 50 MHz, can be measured directly and precisely.
  • the resulting change in the floating frequency received by the photodetector 9 compared to the resting floating frequency is a measure of the instantaneous displacement speed, which over time integrates the displacement distance of the reflector 8 in units of the existing wavelength in the medium (refractive index n) on the measurement path (hereinafter briefly Air wavelength, although media other than air are also conceivable).
  • Air wavelength the existing wavelength in the medium (refractive index n) on the measurement path
  • the material measure 11a with the greatest length d 1 is arranged closest to the entry point 14 of the two light beams of different frequencies f 1 , f 2 into the device 10.
  • the different intensity losses in the individual measuring standards due to the different lengths of the material measures can also be compensated for by differently transmissive beam splitter layers, so that the output beam bundles 15a-d to the respectively assigned photo detectors 16a-d of the photoelectric detector device 17 have approximately the same intensity.
  • the beam splitters 12a-d which in the present exemplary embodiment each have two beam splitter layers arranged at right angles to one another and at 45 to the light beam bundles f 1 , f 2 entering the device in parallel, a partial beam bundle pair of different frequencies is formed, with a partial beam bundle pair ( Frequency f 2 ) a distance d determined by the respective material measure 11a or 11b or 11c. passes through in the medium.
  • the partial beam bundles now having a certain optical path difference are superimposed and fed together as output beam bundles 15a-d to the associated photodetector 16a-d.
  • a partial beam of rays continues through the beam splitter layers of the beam splitters 12a-c to the next beam splitter 12b-d.
  • the photoelectric detector device 17 detects the phase positions of the beat oscillations present in the output beams 15a-c, specifically in the present exemplary embodiment relative to the phase positions of the reference beat vibrations present in the output beams 15d. Since the beam splitters 12a-d are constructed essentially the same (the beam splitter layers are each embedded in quartz glass), the glass paths are the same and the phase positions of the beat vibrations in the output beams 15a-c relative to the phase position of the reference beat vibration in the output beam 15d, where the mirror 13d is direct attached to the beam splitter 12d, give directly by covering the distances d i in the medium Refractive index n caused phase shifts of the partial beam of frequency f 2 . From these phase shifts, the known wavelength in the medium can be determined, if d i 's are known.
  • the result of the present wavelength determination is fed to the evaluation device 9 ', which then displays the displacement distance ⁇ x in meters or otherwise communicates it.
  • a particular advantage of the device according to the invention is in addition to the high measurement accuracy in the completely static structure, which does not require moving parts.
  • the glass bodies of the individual beam splitters 12a-d are joined together directly over flat surfaces
  • the device according to the invention can not only be used to determine the air wavelength alone, but - with a known frequency of the light beam - in an absolute refractometer, as shown in FIG. 2.
  • FIG. 2 differs from the arrangement shown in FIG. 1 essentially by the omission of the components 5, 6, 7, 8, 9 and 9 'and by the addition of the device according to the invention by a quartz etalon 23 with a known refractive index n QUARTZ together with the associated mirror 24, the beam splitter 25 and the
  • the frequency of the partial beams is in the additional evaluation circuit can be determined (the refractive index of the quartz is known) and from this, with a known air wavelength, the desired refractive index of the medium n.
  • This refractometer has an extremely compact structure compared to known refractometers. In particular, no vacuum pumps are necessary. The refractive index can also be determined in real time.
  • the determination of the refractive index with a single additional quartz etalon, as described above, is unambiguous if the refractive index of the air (or in general of the medium), for example according to the parameter method, is so far roughly known that the quartz etalon is in the free wavelength range.
  • the invention is of course not limited to the exemplary embodiments shown. Both the number and the structure of the dimensional structures and beam splitters can vary within the scope of the invention.
  • the device according to the invention can also be used in arrangements other than those shown, either for determining the air wavelength or the refractive index of a medium.
  • a frequency standard is also conceivable and possible as a light source, as a result of which the device according to the invention becomes an absolute refractometer.

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Abstract

Un agencement de détermination de la longueur d'onde de faisceaux de rayons de lumière dans un milieu ou de l'indice de réfraction dudit milieu comprend au moins deux corps stationnaires de mesure (11a, 11b, 11c) de différentes longueurs dont chacun détermine un trajet géométrique différent pour deux faisceaux partiels de rayons formés par une lame séparatrice. Chaque faisceau partiel de rayons (f2) d'une telle paire de faisceaux partiels de rayons parcourt dans le milieu un trajet (d1, d2, d3) déterminé par le corps de mesure correspondant (11a, 11b ou 11c). Deux faisceaux de rayons de lumière présentent des fréquences différentes (f1, f2). Un des faisceaux partiels de rayons de chaque paire de faisceaux partiels de rayons est formé par le faisceau de rayons de lumière ayant la fréquence (f1), et l'autre faisceau partiel de chaque paire de faisceaux partiels est formé par le faisceau de rayons de lumière ayant l'autre fréquence (f2). Un détecteur photoélectrique détermine la relation de phases de pleurage de chaque faisceau de rayons de sortie (15a-c) formé par superposition et par recombinaison des deux faisceaux partiels de rayons de chaque paire de faisceaux partiels de rayons. Cette relation de phases constitue une mesure de la différence entre les trajets optiques de chaque faisceau partiel de rayons d'une paire de faisceaux partiels de rayons.An arrangement for determining the wavelength of beams of light rays in a medium or the refractive index of said medium comprises at least two stationary measuring bodies (11a, 11b, 11c) of different lengths, each of which determines a different geometric path for two partial beams of rays formed by a separating plate. Each partial beam of rays (f2) of such a pair of partial beams of rays travels in the medium a path (d1, d2, d3) determined by the corresponding measurement body (11a, 11b or 11c). Two beams of light rays have different frequencies (f1, f2). One of the partial beams of rays of each pair of partial beams of rays is formed by the beam of light rays having the frequency (f1), and the other partial beam of each pair of partial beams is formed by the beam of rays of light having the other frequency (f2). A photoelectric detector determines the phase shifting relationship of each beam of output rays (15a-c) formed by superposition and by recombination of the two partial beams of rays of each pair of partial beams of rays. This phase relationship is a measure of the difference between the optical paths of each partial beam of rays in a pair of partial beams of rays.

Description

Einrichtung zur Wellenlängenbestimmung bzw. Brechzahlbestimmung Die Erf indung betrif ft eine Einrichtung zur Bestimmung der in einen Medium vorliegenden Wellenlänge von L ichtstrahlenbundeln bzw. der Srechzahl dieses Mediums, mit zumindest zwei Maßverkorperungen versich iedener Lange, von denen jede einen unterschiedl ichen geometrischen Wegunterschied von je zwei in einem Strahlteiler gebildeten TeilstrahlenbundeIn festlegt, wobei eines der Teilstrahlenbündel eines solchen Teilstrahlenbündelpaares eine durch die zugehörige Maßverkörperung festgelegte Strecke im Medium durchläuf t, und bei der eine wenigstens einen Fotodetektor aufweisende, fotoelektrische Detektoreinrichtung vorgesehen ist, mit der die aus je zwei rekombinierten TeilstrahlenbündeIn eines Teilstrahlenbündelpaares gebildete Ausgangsstrahlenbündel analysierbar sind.Device for determining the wavelength or refractive index The invention relates to a device for determining the wavelength of light beams in a medium or the refractive index of this medium, with at least two dimensional standards of different lengths, each of which has a different geometric path difference of two Partial beam bundle formed in a beam splitter defines, wherein one of the partial beam bundles of such a partial beam bundle passes through a distance defined by the associated measuring standard in the medium, and in which an at least one photoelectric detector device is provided, with which the two recombined partial beam bundles each are formed in a partial beam bundle formed output beams can be analyzed.
Die Bestimmung der in einem Medium herrschenden Wellenlänge (im folgenden kurz Luftwellenlänge genannt) erfolgt häuf ig auf dem Umweg einer mechanischen Verschiebung eines Hilfsreflektors um eine durch eine Maß Verkörperung festgelegte Strecke, wobei der Verschiebeweg gleichzeit ig interferometrisch in Einheiten der Luftwellenlänge ge«essen wird. Ein Vergleich liefert auch bei völlig unbekannter Frequenz und völlig unbekannter Brechzahl des Mediums die gesuchte Luftwellenlänge.The wavelength prevailing in a medium (hereinafter referred to as air wavelength for short) is often determined by mechanically displacing an auxiliary reflector by a distance defined by a measure of embodiment, the displacement path being simultaneously measured interferometrically in units of the air wavelength. A comparison provides the searched air wavelength even at completely unknown frequency and completely unknown refractive index of the medium.
Will man die Luftwel lenlänge mit einer stat ischen oder quasistatischen Maßvericörperung bestimmen, so stößt man auf das Problem, daß das Ergebnis der Luftwellenlängenbestimmung bei vorher völ l ig unbekannter Luftwellenlänge vieldeutig ist. Diese Vieldeutigkeit rührt daher, daß zwei verschiedene Wellenlängen dasselbe Meßergebnis liefern, wenn ihr ganzzahliges Vielfaches gleich dem durch die Maßverkörperung relat iv zu einem Referenzstrahl festgelegten Laufstreckenunterschied ist, und eben dieses ganzzahlige Vielfache im allgemeinen nicht bekannt ist. Erfüllt jedoch die anfängliche relative Wellenlängenunsicherheit Δλ /λ die Bedingung Δ λ/λ < λ/2ℓ , wobei 21 der durch die Maßverkörperung definierte Wegunterschied ist (1 die Länge der Maßverkόrperung), so ist das genannte ganzzahlige Vielfache festgelegt und damit die Luftwellenlängen ait einer statischen oder quasistatischen Maßverkörperung. Die obige Bedingung an die anfängliche Wellenlängenunsicherheit hängt offensichtlich von der Länge der Maßverkörperung ab. (Man spricht bei Einhalten der oben stehenden Ungleichung auch davon, daß die "Wellenlänge im freien Spektralbereich der Maßverkörperung liegt".) Weist die Maßverkörperung eine geringe Länge auf, so ist die Anforderung an die anfängliche Wellenlängenunsicherheit vorteilhafterweise gering. Andererseits ist die erzielbare Meßgenauigkeit mit einer kurzen Maßverkörperung auch geringer als mit einer langen.If one wants to determine the air wave length with a static or quasi-static measurement embodiment, one encounters the problem that the result of the air wave length determination is ambiguous with a previously completely unknown air wave length. This ambiguity stems from the fact that two different wavelengths deliver the same measurement result if their integer multiple is equal to the distance of travel determined by the measuring standard relative to a reference beam, and this integer Multiple is generally not known. However, if the initial relative wavelength uncertainty Δλ / λ fulfills the condition Δ λ / λ <λ / 2ℓ, where 21 is the path difference defined by the measuring standard (1 the length of the measuring standard), then the integer multiple is specified and thus the air wavelengths as one static or quasi-static material measure. The above condition for the initial wavelength uncertainty obviously depends on the length of the material measure. (If the above inequality is adhered to, it is also said that the "wavelength lies in the free spectral range of the material measure".) If the material measure has a short length, the requirement for the initial wavelength uncertainty is advantageously low. On the other hand, the measuring accuracy that can be achieved with a short measuring standard is also less than with a long one.
Es wurde daher vorgeschlagen, mehrere Maßverkörperungen verschiedener Länge zu verwenden und die Wellenlänge durch immer längere Etalons (Maßverkörperungen) ausgehend von einer relativ großen Wellenlängenunsicherheit sukzessive zu präzisieren. Dabei werden verschiedene quasistatische Fabry-Perot-Interferometer verwendet, die eine Maßverkörperung mit im großen und ganzen festen Plattenabstand aufweisen, der jedoch piezoelektrisch geringfügig vari ierbar ist. Durch Variieren des Plattenabstandes kann dieser so eingestellt werden, daß der Wegunterschied des über die Maßverkörperung laufenden Teilstrahlenbündels zu einea Referenzstrahlenbündel derselben Frequenz λ/2 beträgt, wobei dann ein Minimum der interferierenden Teilstrahlenbündel detektiert wird. Diese bekannte homodyne (eine Frequenz) Wellenlängenbestimmung ist an sich sehr genau. Der wesentliche Nachteil liegt, abgesehen von Schwierigkeiten bei der Abst immung der Etalons, im hohen apparat iven Aufwand und den damit verbundenen hohen Kosten. Insbesondere der nötige Satz von verschieden langen, jeweils piezoelektrisch verstellbaren Fabry-Perot-Etalons zusammen mit der nöt igen Steuerung ist äußerst aufwendig und teuer.It was therefore proposed to use several material measures of different lengths and to gradually specify the wavelength using ever longer etalons (material measures) starting from a relatively large wavelength uncertainty. Various quasi-static Fabry-Perot interferometers are used, which have a material measure with a largely fixed plate spacing, but which can be varied slightly piezoelectrically. By varying the plate spacing, this can be adjusted so that the path difference of the partial beam passing through the material measure to a reference beam of the same frequency is λ / 2, a minimum of the interfering partial beams then being detected. This known homodyne (one frequency) wavelength determination is very precise in itself. The essential The disadvantage, apart from the difficulties in reducing the etalons, is the high expenditure on equipment and the associated high costs. In particular, the required set of Fabry-Perot etalons of different lengths, each piezoelectrically adjustable, together with the necessary control is extremely complex and expensive.
Aufgabe der Erf indung ist es, eine kostengünstige und kompakte Einrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der die Wellenlänge in einem Medium (bzw. bei bekannter Frequenz daraus auch die Brechzahl des Mediums) ohne Verwendung von beweglichen Bauteilen auch bei einer relativ großen anfängl ichen Wellenlängenunsicherheit rasch und äußerst exakt best immbar ist. Dies wird gemäß der Erfindung dadurch erreicht, daß die Maßverkörperungen statische, im Betrieb in ihrer Länge unveränderte Maßverkörperungen sind, daß eine Einrichtung zur Erzeugung zweier Lichtstrahlenbündel verschiedener Frequenz vorgesehen ist, wobei ein Teilstrahlenbündel aus dem Lichtstrahlenbündel der einen Frequenz jeweils das eine Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares und ein Teilstrahlenbündel aus dem Lichtstrahlenbündel der anderen Frequenz jeweils das andere Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares darstellen, und daß die fotoelektrische Detektoreinrichtung eine die Phasenlage der in jedem Ausgangsstrahlenbündel vorliegenden Schwebungs schwingung ermittelnde Phasendetektoreinrichtung aufweist. Im Gegensatz zum bekannten homodynen Wellenlängenbestimmungsverfahren arbeitet die erfindungsgeaäße Einrichtung heterodyn, also mit zwei verschiedenen Frequenzen bekannter Frequenzdifferenz. Dies erlaubt die Verwendung von einfachen, völlig statischen Maßverkörperungen (Etalons), z.B. in einem bestimmten fixen Abstand angeordnete Spiegel. Gemessen wird pro Etalon die Phasenlage der SchwebungsSchwingung, die entsteht, wenn ein Teilstrahlenbündel der einen Frequenz mit dem Teilstrahlenbündel der anderen Frequenz, das durch das Laufen über eine durch die jeweiligen Maß Verkörperungen def inierte Wegstrecke im Medium einen Gangunterschied bzw. eine Phasenverschiebung gegen das eine Teilstrahlenbündel erfährt, rekombiniert und überlagert werden. Der erf indungsgemäßen Methode Liegt die Ericenntnis zugrunde, daß sich die direkt nicht meßbare Phasenverschiebung zweier rasch oszillierender Teilstrahlenbündel, die vom Gangυnterschied dieser Teilstrahlenbündel abhängt, in d e r mit heutigen elektronischen Einrichtungen gut erfaßbaren Phasenlage der etwa im Megahertz-Bereich angesiedelten SchwebungsSchwingung wiederspiegelt. Aus der Phasenlage der Schwebungsschwingung kennt man also die Phasenlage der beiden Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares und damit deren optischen Wegunterschied. Zusammen mit dem durch die jeweilige Maßverkörperung festgelegten, bekannten geometrischen wegunterschied ist dam it die Luftwellenlänge des im Medium geführten Teilstrahlenbüngels begannt, sofern die anfängliche Wellenlängenunsicherheit für die jeweilige Maßverkörperung im freien Wellenlängenbereich liegt ( Δλ/λ < λ/2l). Ausgehend von der kleinsten Maßverkörperung (geringe Anforderung an anfängliche Wellenlängenunsicherheit) kann man über immer längere Maßverkörperungen (in denen die gleichen Luftverhältnisse herrschen) eine sukzessive Präzisierung der Luftwellenlänge erreichen.The object of the invention is to provide an inexpensive and compact device of the type mentioned at the beginning, with which the wavelength in a medium (or, if the frequency is known, the refractive index of the medium therefrom) without the use of movable components even with a relatively large one wavelength uncertainty can be immobilized quickly and extremely precisely. This is achieved according to the invention in that the material measures are static material measures, the length of which does not change in operation, in that a device is provided for generating two light beams of different frequencies, one partial beam from the light beam of the one frequency and one partial beam of a partial beam pair and a partial beam from the light beam of the other frequency each represent the other partial beam of a pair of partial beams, and that the photoelectric detector means has a phase detector which detects vibration in each output beam. In contrast to the known homodyne wavelength determination method, the device according to the invention works heterodyne, that is to say with two different frequencies of known frequency difference. This allows the use of simple, completely static material measures (etalons), eg mirrors arranged at a certain fixed distance. For each etalon, the phase position of the beat oscillation is measured, which arises when a partial beam of one frequency with the partial beam of the other frequency, a path difference or a phase shift against the one by running over a distance defined in the medium by the respective dimensions Partial beams are experienced, recombined and superimposed. The method according to the invention is based on the knowledge that the directly immeasurable phase shift of two rapidly oscillating partial beams, which depends on the difference in the path of these partial beams, is reflected in the phase position of the beat oscillation, which is approximately in the megahertz range, which can be easily detected with today's electronic devices. From the phase position of the beat oscillation one knows the phase position of the two partial beams of a partial beam pair and thus their optical path difference. Together with the known geometrical path difference determined by the respective measuring standard, the air wavelength of the partial beam bundle guided in the medium begins, provided the initial wavelength uncertainty for the respective measuring standard lies in the free wavelength range (Δλ / λ <λ / 2l). Starting from the smallest measuring standard (low requirement for initial wavelength uncertainty), increasingly longer measuring standards (in which the same air conditions prevail) can be used to gradually specify the air wavelength.
Besonders vorteilhaft läßt sich die erf indungsgemiße Einrichtung zur Wellenlängenbestimmung bei heterodyn betriebenen Interferometeranordnungen anwenden, wo die Einrichtung zur Erzeugung zweier Lichtstrahlenbündel verschiedener Frequenz bereits Bestandteil des Interferometers selbst ist, also bereits zwei Lichtstrahlenbündel verschiedener Frequenz existieren. Grundsätzlich läßt sich d ie erf indungsgemäße Einrichtung jedoch auch be i homodynen (mit einer Frequenz betrieben) Anordnungen verwenden, indem aus dem Interferometer-Lichtstrahlenbündel durch eine geeignete Einrichtung, beispielsweise durch einen akustooptischen Kristall, zwei Lichtstrahlenbύndel versch iedener Frequenz für den erf indungsgemäßen Heterodynbetrieb der gestuften Etalons gebildet werden. Bei der Verwendung der erf indungsgemäßen Einrichtung als Absolut-Refraktometer müssen die Frequenzen der beiden verschiedenfrequenten Lichtstrahlenbündel bekannt sein. Dies kann dadurch geschehen, daß als Lichtquelle ein Frequenznormal verwendet ist, oder durch eine geeignete Ergänzung der gestuften Etalons etwa durch ein Quarzetalon, was später noch näher erläutert werden wird.The device according to the invention for determining the wavelength can be used particularly advantageously in heterodyne-operated interferometer arrangements, where the device for generating two light beams is different Frequency is already part of the interferometer itself, i.e. two light beams of different frequencies already exist. Basically, the device according to the invention can, however, also be used in homodyne (operated at a frequency) arrangement, in that from the interferometer light beam by means of a suitable device, for example by means of an acousto-optical crystal, two light beam beams of different frequencies for heterodyne operation according to the invention tiered etalons are formed. When using the device according to the invention as an absolute refractometer, the frequencies of the two different frequency light beams must be known. This can be done by using a frequency standard as the light source, or by a suitable addition to the stepped etalons, for example by a quartz etalon, which will be explained in more detail later.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erf indung werden in der folgenden Beschreibung der F iguren anhand von Ausfuhrungsbeιspielen nahe r erläutert.Further details and advantages of the invention are explained in the following description of the figures using exemplary embodiments near r.
Es zeigen die Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung als Wellenlängenbest immungseinrichtung in einer Interferometeranordnung zur Bestimmung des Verschiebeweges eines beweglichen Bauteiles und die Fig. 2 ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Einrichtung als Absolut-Refraktometer.1 shows an embodiment of the device according to the invention as a wavelength determination device in an interferometer arrangement for determining the displacement of a movable component, and FIG. 2 shows another embodiment of the device according to the invention as an absolute refractometer.
Die in Fig. 1 gezeigte Läserinterferometeranordnung arbeitet nach dem sogenannten Heterodyn-Verfahren, bei dem zwei frequenzmäßig geringfügig differierende Teilstrahlen verwendet werden. Eine Laserdiode 1 sendet monochromatisches, infrarotes Licht aus, das von der Linse 2 gesammelt und auf den akusto-optischen Kristall 3 fokussiert wird. In diesem akusto-optischen Kristall 3 erfolgt die Aufteilung in die benötigten Teilstrahlen mit den Frequenzen f1 und f2, wobei der geraudeaυs laufende Teilstrahl die Original- frequenz f1 hat, während der abgelenkte Teilstrahl eine um Δ f (ca. 50 MHz) verschobene Frequenz aufweist (f2=f1 + Δ f). Die nachgeschaltete Linse 4 richtet die beiden Teilstrahlen parallel aus.The laser interferometer arrangement shown in FIG. 1 works according to the so-called heterodyne method, in which two partial beams with slightly different frequencies are used. A laser diode 1 emits monochromatic, infrared light, which is collected by the lens 2 and focused on the acousto-optical crystal 3. In this acousto-optical crystal 3, the division into the required partial beams with the frequencies f 1 and f 2 takes place , the partial beam that is running straight having the original frequency f 1 , while the deflected partial beam has a Δ f (approx. 50 MHz) has shifted frequency (f 2 = f 1 + Δ f). The downstream lens 4 aligns the two partial beams in parallel.
Ein Strahlteiler 5, der eine halbdurchlässige Spiegelschicht aufweist, die durch die haIbverspiegeIte Diagonalfläche eines Würfels aus Glas gebildet ist, lenkt einen Teil beider Teilstrahlen in Richtung des Meßinterferometerbauteiles 6, in dem der Teilstrahl f1 und der über den am beweglichen Bauteil 7 über eine Verbindungsstange verbundenen Reflektor 8 laufende andere Teilstrahl überlagert werden und einem Fotodetektor 9 zugeführt werden, der an eine elektronische Auswerteinrichtung 9' angeschlossen ist. Der genannte Meßinterferometerbauteil 6 besteht lediglich aus zwei halbdurchlässigen Spiegelflächen, die zum Schutz innerhalb von Quarzglaskörpern angeordnet sind. Bei ruhendem Reflektor 8 ändert sich die Amplitude der auf den Fotodetektor 9 auftreffenden Gesamtstrahlung mit der RuheSchwebungsf requenz Δf der beiden Teilstrahlen, welche in der Auswerteinrichtung 9' gezählt wird. Im Gegensatz zu den Frequenzen f1, f2 der TeiIstrahlen, die im 5 . 1 0 14H z-Be r e i c h liegen und heute nicht direkt meßbar sind, ist Δf, das ca. 50 MHz beträgt, direkt und präzise meßbar. Bei Bewegung des Bauteiles 7 bzw. des Reflektors 8 ändert sich auf Grund des Doppler-Effektes die Frequenz des über den Reflektor 8 laufenden Teilstrahles proportional mit der Verschiebegeschwindigkeit. Die damit entstehende Änderung der vom Fotodetektor 9 empfangenen Schwebυngs frequenz gegenüber der RuheSchwebungsfrequenz ist ein Maß für die momentane Verschiebegeschwindigkeit, die über die Zeit integriert die Verschiebestrecke des Reflektors 8 in Einheiten der vorhandenen Wellenlänge im Medium (Brechzahl n) auf der Meßstrecke (im folgenden kurz Luftwellenlänge genannt, obwohl durchaus auch andere Medien als Luft denkbar sind) ergibt. Um diese Verschiebestrecke Δx in metrischen Maßeinheiten (m,mm, μm etc.) zu kennen, muß diese Luftwellenlänge zu allen Zeiten genau bekannt sein. Zur Ermittlung dieser kuftwellenlänge dient die gesamte in Fig. 1 unterhalb des Strahlteilers 6 liegende Einrichtung 10, die ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Einrichtung darstellt.A beam splitter 5, which has a semi-transparent mirror layer, which is formed by the half-mirrored diagonal surface of a cube made of glass, directs a part of both partial beams in the direction of the measuring interferometer component 6, in which the partial beam f 1 and that on the movable component 7 via a connecting rod connected reflector 8 running other partial beam are superimposed and fed to a photodetector 9 which is connected to an electronic evaluation device 9 '. Said measuring interferometer component 6 consists only of two semi-transparent mirror surfaces which are arranged for protection within quartz glass bodies. When the reflector 8 is at rest, the amplitude of the total radiation impinging on the photodetector 9 changes with the resting vibration frequency Δf of the two partial beams, which is counted in the evaluation device 9 '. In contrast to the frequencies f 1 , f 2 of the partial beams, which in the 5th 1 0 14 H z range and today cannot be measured directly, Δf, which is approximately 50 MHz, can be measured directly and precisely. When the component 7 or the reflector 8 moves, the frequency of the partial beam passing through the reflector 8 changes proportionally with the displacement speed due to the Doppler effect. The resulting change in the floating frequency received by the photodetector 9 compared to the resting floating frequency is a measure of the instantaneous displacement speed, which over time integrates the displacement distance of the reflector 8 in units of the existing wavelength in the medium (refractive index n) on the measurement path (hereinafter briefly Air wavelength, although media other than air are also conceivable). In order to know this displacement distance Δx in metric units (m, mm, μm etc.), this air wavelength must be known exactly at all times. The entire device 10, which is located below the beam splitter 6 in FIG. 1 and serves as an exemplary embodiment of a device according to the invention, is used to determine this slot wavelength.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel weist die erfindungsgemäße Einrichtung drei verschieden lange, statische Maßverkörperungen 11a-c (Länge in dem auch auf der eigentlichen Meßstrecke Δ x vorhandenen Medium d1, d2 bzw. d3) sowie eine Referenzmaßverkörperung (Länge im Medium = 0) auf, die jeweils im wesentlichen gleich aufgebaut sind und die einfach jeweils durch einen in einem bestimmten Abstand (di bzw. 0) von den zugehörigen Strahlteilern 12a-d angeordneten Spiegeln 13a-d gebildet sind. Die Maßverkörperung 11a der größten Länge d1 ist dabei der Eintrittsstelle 14 der beiden erfindungsgemäß vorgesehenen Lichtstrahlenbündel verschiedener Frequenz f1, f2 in die Einrichtung 10 am nächsten angeordnet. Die auf Grund der unterschiedlichen Längen der Maßverkörperungen vorliegenden unterschiedlichen Intensitätsverluste in den einzelnen Maßverkörperungen können auch durch verschieden durchlässige Strahlteilerschichten kompensiert werden, sodaß auch die Ausgangsstrahlenbündel 15a-d zu den jeweils zugeordneten Fotodetektoren 16a-d der fotoelektrischen Detekoreinrichtung 17 in etwa die gleiche Intensität aufweisen. In den Strahlteilern 12a-d, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel jeweils zwei unter einem rechten Winkel zueinander und unter 45 zu den parallel in die Einrichtung eintretenden Lichtstrahlenbündeln f1, f2 angeordnete StrahIteilersehichten aufweisen, wird jeweils ein TeiIstrahlenbündeIpaar verschiedener Frequenz gebildet, wobei ein TeiIstrahlenbündelpaar (Frequenz f2) eine durch die jeweilige Maßverkörperung 11a bzw. 11b bzw. 11c festgelegte Strecke d. im Medium durchläuft. Bei der dem anderen Teilstrahlenbündel (Frequenz f1) zugeordneten Strahlteilerschicht (linke Strahlteilerschicht in Fig. 1) werden die nun einen bestimmten optischen Gangunterschied aufweisenden Teilstrahlenbündel überlagert und gemeinsam als Ausgangsstrahlenbündel 15a-d dem zugehörigen Fotodetektor 16a-d zugeführt. Außerdem geht durch die Strahlteilerschichten der Strahlteiler 12a-c jeweils ein Teilstrahlenbündel zum nächsten Strahlteiler 12b-d weiter.In the present exemplary embodiment, the device according to the invention has three differently long, static material measures 11a-c (length in the medium d 1 , d 2 or d 3 also present on the actual measuring path Δ x) and a reference material measure (length in the medium = 0) , each of which is constructed essentially identically and which is simply formed in each case by a mirror 13a-d arranged at a certain distance (d i or 0) from the associated beam splitters 12a-d. The material measure 11a with the greatest length d 1 is arranged closest to the entry point 14 of the two light beams of different frequencies f 1 , f 2 into the device 10. The different intensity losses in the individual measuring standards due to the different lengths of the material measures can also be compensated for by differently transmissive beam splitter layers, so that the output beam bundles 15a-d to the respectively assigned photo detectors 16a-d of the photoelectric detector device 17 have approximately the same intensity. In the beam splitters 12a-d, which in the present exemplary embodiment each have two beam splitter layers arranged at right angles to one another and at 45 to the light beam bundles f 1 , f 2 entering the device in parallel, a partial beam bundle pair of different frequencies is formed, with a partial beam bundle pair ( Frequency f 2 ) a distance d determined by the respective material measure 11a or 11b or 11c. passes through in the medium. In the case of the beam splitter layer assigned to the other partial beam bundle (frequency f 1 ) (left beam splitter layer in FIG. 1), the partial beam bundles now having a certain optical path difference are superimposed and fed together as output beam bundles 15a-d to the associated photodetector 16a-d. In addition, a partial beam of rays continues through the beam splitter layers of the beam splitters 12a-c to the next beam splitter 12b-d.
Die f otoe l e k t r i s c h e Detektoreinrichtung 17 erfaßt erfindungsgemäß die Phasenlagen der in den Ausgangsstrahlenbündeln 15a-c vorhandenen Schwebungsschwingung, und zwar - im vorliegenden Ausführungsbeispiel - jeweils relativ zur Phasenlage der im Ausgangsstrahlenbündel 15d vorliegenden Referenzschwebungsschwingung. Da die Strahlteiler 12a-d im wesentlichen gleich aufgebaut sind (die Strahlteilerschichten sind jeweils in Quarzglas eingebettet), liegen gleiche Glaswege vor und die Phasenlagen der Schwebungsschwingungen in den Ausgangsstrahlenbündeln 15a-c relativ zur Phasenlage der Referenzschwebungsschwingung im Ausgangsstrahl 15d, wo der Spiegel 13d direkt am Strahlteiler 12d angebracht ist, geben direkt die durch Zurücklegen der Strecken di im Medium der Brechzahl n hervorgerufene Phasenverschiebungen des Teilstrahlenbündels der Frequenz f2 an. Aus diesen Phasenverschiebungen läßt sich - bei bekannten di ' s -die im Medium vorliegende Wellenlänge bestimmen.According to the invention, the photoelectric detector device 17 detects the phase positions of the beat oscillations present in the output beams 15a-c, specifically in the present exemplary embodiment relative to the phase positions of the reference beat vibrations present in the output beams 15d. Since the beam splitters 12a-d are constructed essentially the same (the beam splitter layers are each embedded in quartz glass), the glass paths are the same and the phase positions of the beat vibrations in the output beams 15a-c relative to the phase position of the reference beat vibration in the output beam 15d, where the mirror 13d is direct attached to the beam splitter 12d, give directly by covering the distances d i in the medium Refractive index n caused phase shifts of the partial beam of frequency f 2 . From these phase shifts, the known wavelength in the medium can be determined, if d i 's are known.
Die Eindeutigkeit dieser Wellenlängenbestimmung ist proThe uniqueness of this wavelength determination is pro
Maßverkörperung jedoch nur dann gegeben, wenn dieHowever, material measure is only given if the
Wellenlängenunsicherheit bei dieser MaßverkörperungWavelength uncertainty with this measuring standard
Δλ/λ < λ/2di ist. Man wird daher ausgehend von einer anfänglichen Wellenlängenunsicherheit Δλ/λ zunächst mit der kleinsten Maßverkörperung der Länge d, dieΔλ / λ <λ / 2d i . Starting from an initial wavelength uncertainty Δλ / λ, the first thing to be done with the smallest measuring standard of length d is
Wellenlänge etwas genauer bestimmen und damit die Wellenlängenunsicherheit reduzieren und zwar soweit, daß die obige Ungleichung für die nächst längere Maßverkörperung der Länge d2 erfüllt ist, sodaß auch dort die Bestimmung eindeutig ist. Mit den längsten Maßverkörperungen (d3) wird letztlich die Wellenlängenunsicherheit am weitesten reduziert oder mit anderen Worten, die Wellenlänge am genauesten bestimmt (= Ergebnis der Messung). Diese sukzessive Präzisierung der Luftwellenlänge kann in der fotoelektrischen Detektoreinrichtung 17 auf elektronischem Weg in Echtzeit erfolgen.Determine the wavelength somewhat more precisely and thus reduce the wavelength uncertainty to such an extent that the above inequality is fulfilled for the next longer measuring standard of length d 2 , so that the determination is also unambiguous there. With the longest measuring standards (d 3 ), the wavelength uncertainty is ultimately reduced the most, or in other words, the wavelength is determined most precisely (= result of the measurement). This gradual specification of the air wavelength can be done electronically in real time in the photoelectric detector device 17.
Das Ergebnis der vorliegenden Wellenlängenbestimmung ist der Auswerteinrichtung 9' zugeführt, die dann die Verschiebestrecke Δ x in Metern anzeigt oder anderweitig weitervermittelt.The result of the present wavelength determination is fed to the evaluation device 9 ', which then displays the displacement distance Δ x in meters or otherwise communicates it.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung besteht neben der hohen Meßgenauigkeit im vollkommen statischen Aufbau, der ohne bewegte Tei le auskommt. Die Körper aus Glas der einzelnen Strahlteiler 12a-d sind über plane Flächen direkt aneinandergefügt, überA particular advantage of the device according to the invention is in addition to the high measurement accuracy in the completely static structure, which does not require moving parts. The glass bodies of the individual beam splitters 12a-d are joined together directly over flat surfaces
Verbindungskörper 18, 19 und 20 sind die Strahlteiler 12a bis d und die Abstandhalter 21 und 22 der Spiegel 13b und 13c zu einer statischen, kompakten Einheit zusammengebaut Die erfindungsgemäße Einrichtung läßt sich nicht nur zur Bestimmung der Luftwellenlänge allein verwenden, sondern - bei bekannter Frequenz der Lichtstrahlenbündel - in einem Absolut refraktometer, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist.Connecting bodies 18, 19 and 20, the beam splitters 12a to d and the spacers 21 and 22 of the mirrors 13b and 13c are assembled to form a static, compact unit The device according to the invention can not only be used to determine the air wavelength alone, but - with a known frequency of the light beam - in an absolute refractometer, as shown in FIG. 2.
Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Anordnung im wesentlichen durch den Wegfall der Bauteile 5,6,7,8,9 und 9' und durch die Ergänzung der erfindungsgemäßen Einrichtung durch ein Quarzetalon 23 mit bekannter Brechzahl nQUARTZ samt dem zugehörigen Spiegel 24, dem Strahlteiler 25 und demThe arrangement shown in FIG. 2 differs from the arrangement shown in FIG. 1 essentially by the omission of the components 5, 6, 7, 8, 9 and 9 'and by the addition of the device according to the invention by a quartz etalon 23 with a known refractive index n QUARTZ together with the associated mirror 24, the beam splitter 25 and the
Fotodetektor 26 sowie einer zusätzlichen elektronischen Auswertschaltung (nicht dargestellt) in der Detektoreinrichtung 17.Photo detector 26 and an additional electronic evaluation circuit (not shown) in the detector device 17.
Durch Messung der Phasenlage der Schwebungsschwi ngung des Ausgangsstrahlenbündels 27, das aus einem Teilstrahlenbündel der Frequenz f1 und einem über das Quarzetalon 23 geführten Teilstrahlenbündel der Frequenz f2 gebildet ist, relativ zur Phasenlage im Ausgangsstrahl 15d, ist die Frequenz der Teilstrahlenbündel in der zusätzlichen Auswert schaltung ermittelbar (die Brechzahl des Quarzes ist ja bekannt) und daraus bei ebenfalls bekannter Luftwellenlänge die gesuchte Brechzahl des Mediums n. Dieses Refraktometer weist gegenüber bekannten Refraktometern einen äußerst kompakten Aufbau auf. Insbesondere sind keine Vakuumpumpen nötig. Außerdem kann die Brechzahlbestimmung in Echtzeit erfolgen.By measuring the phase position of the beat oscillation of the output beam 27, which is formed from a partial beam of the frequency f 1 and a partial beam of the frequency f 2 guided over the quartz valley 23, relative to the phase position in the output beam 15d, the frequency of the partial beams is in the additional evaluation circuit can be determined (the refractive index of the quartz is known) and from this, with a known air wavelength, the desired refractive index of the medium n. This refractometer has an extremely compact structure compared to known refractometers. In particular, no vacuum pumps are necessary. The refractive index can also be determined in real time.
Die Brechzahlbestimmung mit einem einzigen zusätzlichen Quarzetalon, wie es oben beschrieben ist, ist dann eindeutig, wenn die Brechzahl der Luft (bzw. allgemein des Mediums) beispielsweise nach der Parametermethode bereits soweit grob bekannt ist, daß das Quarzetalon im freien Wellenlängenbereich liegt. Will man auf die Parametermethode oder eine äquivalente Methode verzichten und dennoch eine eindeutige Brechzahlbestimmung erreichen, so kann man dies dadurch erreichen, daß mehrere Etalons, vorzugsweise Quarzetalons, verschiedener Länge vorgesehen sind, über die je ein Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares durch ein Medium bekannter Brechzahl geführt ist, wobei die Stufung der Längen dieser Etalons vorzugsweise in etwa der Stufung der Längen der statischen Maßverkörperungen entspricht, über die jeweils ein Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares durch ein Medium mit zu bestimmender Brechzahl geführt ist.The determination of the refractive index with a single additional quartz etalon, as described above, is unambiguous if the refractive index of the air (or in general of the medium), for example according to the parameter method, is so far roughly known that the quartz etalon is in the free wavelength range. If one wants to do without the parameter method or an equivalent method and still achieve a clear determination of the refractive index, this can be achieved by providing several etalons, preferably quartz ketones, of different lengths, over which a partial beam of a pair of partial beams is guided through a medium of known refractive index , wherein the gradation of the lengths of these etalons preferably corresponds approximately to the gradation of the lengths of the static material measures, over which a partial beam of a partial beam pair is guided through a medium with a refractive index to be determined.
Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf die gezeigten Ausführungsbeispiele beschränkt. Sowohl die Anzahl als auch der Aufbau der Maßverkόrperungen und Strahlteiler kann im Rahmen der Erfindung variieren. Außerdem kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch bei anderen als den gezeigten Anordnungen entweder zur Bestimmung der Luf twe l len länge oder der Brechzahl eines Mediums verwendet werden. Anstelle des bzw. der Quarzetalons ist beispielsweise auch ein Frequenznormal als Lichtquelle denkbar und möglich, wodurch die erfindungsgemäße Einrichtung zu einem Absolut-Refraktometer wird. The invention is of course not limited to the exemplary embodiments shown. Both the number and the structure of the dimensional structures and beam splitters can vary within the scope of the invention. In addition, the device according to the invention can also be used in arrangements other than those shown, either for determining the air wavelength or the refractive index of a medium. Instead of the quartz ketone (s), for example, a frequency standard is also conceivable and possible as a light source, as a result of which the device according to the invention becomes an absolute refractometer.

Claims

P a t e n c a n s p ύ c h eP a t e n c a n p ύ c h e
Einrichtung zur Bestiaβung der in einem Mediua vorliegenden Wellenlänge von Lichtstrahlenbünde In bzw. der βrechzahl dieses Mediums, mit zumindest zwei Maßverkörperungen verschiedener Länge, von denen jede einen unterschiedlichen geometrischen Wegunterschied von je zwei in einem Strahlteiler gebildeten TeilstrahlenbundeIn festlegt, wobei eines der Teilstrahlenbündel eines solchen Teilstrahlenbündelpaares eine durch die zugehörige Maßverkörperung festgelegte Strecke im Medium durchläuft, und bei de r eine wenigstens einen Fotodetektor aufweisende, fotoelektrische Detektoreinrichtung vorgesehen ist, mit der die aus je zwei rekombinierten Teilstrahlenbündeln eines Teilstrahlenbündelpaares gebildete Ausgangsstrahlenbündel analysierbar sinα, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperungen statische, in Betrieb in ihrer Länge (d1, d2, d3) unveränderte Maßverkörperungen (11a,11b, 11c) sind, daß eine Einrichtung zur Erzeugung zweier Lichtstrahlenbündel verschiedener Frequenz ( f1,f2) vorgesehen ist, wobei ein Teilstrahlenbündel aus dem Lichtstrahlenbündel der einen Frequenz (f1) jeweils das eine Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares und ein Teilstrahlenbündel aus dem Lichtstrahlenbündel der anderen Frequenz (f2) Jeweils das andere Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares darstellen, und daß die fotoelektrische Detektoreinrichtung (17) eine die Phasenlage der in jedem Ausgangsstrahlenbündel (15a-c) vorliegenden Schwebungsschwingung ermittelnde Phasendet ektoreinrichtung aufweist.Device for determining the wavelength of light beams in a medium, or the refractive index of this medium, with at least two material measures of different lengths, each of which defines a different geometrical path difference of two partial beams formed in a beam splitter, one of the partial beams of such a partial beam pair passes through a path defined by the associated material measure, and in which there is provided at least one photoelectric detector device with at least one photodetector, with which the output beam bundles formed from two recombined partial beam bundles of a partial beam bundle pair can be analyzed, characterized in that the material measures are static, in Operation in their length (d 1 , d 2 , d 3 ) unchanged material measures (11a, 11b, 11c) are that a device for generating two light beams different Whose frequency (f 1 , f 2 ) is provided, with a partial beam from the light beam of one frequency (f 1 ) each the one partial beam of a partial beam pair and a partial beam from the light beam of the other frequency (f 2 ) respectively the other partial beam of a partial beam pair and that the photoelectric detector device (17) has a phase detector which determines the phase position of the beat oscillation present in each output beam (15a-c).
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Maßverkörperungen (11a-c) jeweils einen in einem bestimmten Abstand (d1, d2 bzw. d3) von den jeweiligen Strahlteilern (12a, 12b bzw. 12c) zur 8ιldung eines Teilstrahlenbündelpaares angeordneten Spiegel (13a, 13b bzw. 13c) aufweisen.2. Device according to claim 1, characterized in that the material measures (11a-c) each one at a certain distance (d 1 , d 2 or d 3 ) from the respective Have beam splitters (12a, 12b or 12c) arranged to form a partial beam bundle mirror (13a, 13b or 13c).
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest einer Maßverkörperung (11a, 11b bzw. 11c) eine Strahlteilereinrichtung (12a, 12b bzw. 12c) zugeordnet ist, die für jedes der beiden auftreffenden Lichtstrahlenbündel verschiedener Frequenz ( f1, f2) eine Strahlteilerschicht aufweist, durch die einerseits Teilstrahlenbündel gegebenenfalls zu dahinterliegenden weiteren Strahlteilereinrichtungen (12b bzw. 12c) weiterer Maßverkörperυngen (11b bzw. 11c) durchtreten können, wobei andererseits das von der einen Strahlteilerschicht reflektierte Teilstrahlenbündel der einen Frequenz (f2) über die zugehörige Maßverkörperung (11a, 11b bzw. 11c) geführt ist und mit einem Gangunterschied auf die andere Strahlteilerschicht gelangt,sodaß durch überlagerung mit dem dort reflektierten Teilstrahlenbündel der anderen Frequenz3. Device according to claim 1 or 2, characterized in that at least one material measure (11a, 11b or 11c) is associated with a beam splitter device (12a, 12b or 12c) which for each of the two incident light beams of different frequency (f 1 , f 2 ) has a beam splitter layer through which partial beam bundles, if necessary, to further beam splitter devices (12b or 12c) behind it, further measuring standards (11b or 11c) can pass, on the other hand the partial beam bundle of one frequency (f 2 ) reflected by the beam splitter layer the associated material measure (11a, 11b or 11c) is guided and reaches the other beam splitter layer with a path difference, so that it overlaps with the partial beam of the other frequency reflected there
(f1) ein Ausgangsstrahlenbündel (15a-c) mit einer Schwebungsschwingung bestimmter Phasenlage gebildet wird.(f 1 ) an output beam (15a-c) is formed with a beat oscillation of a certain phase.
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilersehichten untereinander rechte Winkel einschließen und unter 45 zu parallel in die Einrichtung (10) eintretenden Lichtstrahlenbündeln (f1, f2) angeordnet sind. 4. Device according to claim 3, characterized in that the beam splitter layers form a right angle with one another and are arranged at 45 parallel to the device (10) entering light beams (f 1 , f 2 ).
5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteilerschichten jeweils in einem Körper aus durchsichtigen Werkstoff, insbesondere Quarzglas, eingebettet sind und daß die Körper der einzelnen Strahlteilereinrichtungen (12a-d, 25) über plane Flächen direkt aneinandergefügt sind.5. Device according to claim 3 or 4, characterized in that the beam splitter layers are each embedded in a body made of transparent material, in particular quartz glass, and that the bodies of the individual beam splitter devices (12a-d, 25) are joined directly together over flat surfaces.
6. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß alle Maßverkörperungen (11a-c-, 23) und die optischen Strahlteiler (12a-d, 25) zu einer statischen, kompakten Einheit zusammengebaut sind.6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that all material measures (11a-c-, 23) and the optical beam splitter (12a-d, 25) are assembled into a static, compact unit.
7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedem TeiIstrahlenbündeIpaar bzw. jedem daraus gebildeten Ausgangsstrahlenbündel (15a-d) ein eigener Fotodetektor (16a-d) zugeordnet ist.7. Device according to one of claims 1 to 6, characterized in that each part beam bundle pair or each output beam bundle formed therefrom (15a-d) is assigned its own photo detector (16a-d).
8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 , dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Detektoreinrichtung (17) eine Phasendetektoreinrichtung zur Ermittlung der Phasenlagen der in den einzelnen AusgangsstrahlenbündeIn (15a-c, 27) vorliegenden Schwebungsschwingungen relativ zur Phasenlage einer aus zwei Teilstrahlenbündeln verschiedener Frequenz erzeugten Referenzschwebungsschwingung aufweist.8. Device according to one of claims 1 to 7, characterized in that the photoelectric detector device (17) comprises a phase detector device for determining the phase positions of the beat vibrations present in the individual output beams (15a-c, 27) relative to the phase position of a frequency of two partial beams generated reference beat vibration.
9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der Referenzschwebungsschwingung eine im wesentlichen gleichartige9. Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that for generating the reference beat vibration a substantially the same
Strahlteilereinrichtung (12d) und eine im wesentlichen gleichartige Maßverkörperung vorgesehen sind, wie zur Erzeugung eines Ausgangsstrahlenbündels (15a-c) aus einem TeiIstrahlenbündeIpaar, wobei jedoch im Falle der Referenzschwebungsschwingung beide Teilstrahlenbündel bis zur Rekombination in einem Medium bekannter Brechzahl, insbesondere Quarzglas, verlaufen. Beam splitter device (12d) and a substantially similar material measure are provided, such as for producing an output beam (15a-c) from a pair of partial beams, but in the case of the reference beat oscillation, both partial beams run until they recombine in a medium of known refractive index, in particular quartz glass.
10. Einrichtung nach Anspruch 2 und Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (13d) bei der Strahlteilereinrichtung (12d) zur Erzeugung der Referenzschwebungsschw ingung direkt a n der Strahlteilereinrichtung (12d) angebracht ist.10. Device according to claim 2 and claim 9, characterized in that the mirror (13d) in the beam splitter device (12d) for generating the reference oscillation vibration is directly attached to the beam splitter device (12d).
11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge kennzechne t, daß zusätzlich zu den statischen Maßverkörperungen (11a-c), welche für jeweils eines der Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares über bestimmte Strecke in einem Medium zu bestimmender Brechzahl festlegen, mindestens eine weitere statische Maßverkörperung, vorzugsweise ein Quarzetalon (23) vorgesehen ist, durch die das eine Teilstrahlenbündel des Teilstrahlenbündelpaares über eine bekannte Strecke in einem Medium bekannter Brechzahl geführt ist.11. Device according to one of claims 1 to 10, characterized ge gekzechne that in addition to the static material measures (11a-c), which for each one of the partial beams of a partial beam pair over a certain distance in a medium to be determined refractive index, at least one more static material measure, preferably a quartz etalon (23) is provided, through which the one partial beam of the partial beam pair is guided over a known distance in a medium of known refractive index.
12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Etalons, vorzugsweise Quarzetalons, verschiedener Länge vorgesehen sind, über die je ein Teilstrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares durch ein Medium bekannter Brechzahl geführt ist, wobei die Stufυng der Längen dieser Etalons vorzugsweise in etwa der Stufung der Längen der statischen Maßverkörperungen entspricht, über die jeweils ein TeilStrahlenbündel eines Teilstrahlenbündelpaares durch ein Medium mit zu bestimmender Brechzahl geführt ist. 12. The device according to claim 11, characterized in that a plurality of etalons, preferably quartz ketones, of different lengths are provided, over each of which a partial beam of a partial beam bundle is guided through a medium of known refractive index, the grading of the lengths of these etalons preferably approximately in the gradation of Corresponds to lengths of the static material measures, over which a partial beam of a pair of partial beams is guided through a medium with a refractive index to be determined.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4309108A (en) * 1977-01-17 1982-01-05 The Perkin-Elmer Corporation Analyzer for coherent radiation
JPS5742824A (en) * 1980-08-28 1982-03-10 Rikagaku Kenkyusho Method and device for sequential determination of light wavelength
JPS6088353A (en) * 1983-10-20 1985-05-18 Seiko Instr & Electronics Ltd Refractive index measuring apparatus for liquid

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
See references of WO8908825A1 *

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