JPH03505376A - 干渉計による長さ測定のための波長安定化装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 干渉計による長さ測定のための波長安定化装置（発明の分野） 本発明は、レーザー光線からの光によって媒体内に生じる干渉現象を把握するた めに、少なくとも１個の光検出器を備え、とくに気体状の環境媒体内での波長を 、レーザー光源からのコヒーレント光によって測定し、また安定化させる装置に 関するものである。

（従来の技術） 干渉計による長さ測定技術では、環境媒体（はとんどの場合、空気）内での波長 が測定のための尺度となる。波長（空気波長）は自由大気中では空気の屈折率に 応じて変化し、空気の屈折率は温度、圧力および湿度とともに変化する。気体レ ーザー（Ｈｅ−Ｎｅ）を利用する干渉計では、放電曲線自体が周波数基準となる ため、周波数安定度が高い、空気の屈折率の影響は、多くの場合、パラメータ（ 温度、圧力、湿度）を測定し１．エドレンの式によって計算し、干渉計測定値を これによって、コンピュータにより補整する。この方法は、正常な空気混合物を 前提としているが、もちろんこれは工業地帯での現在の状況とは合致しておらず 、その結果、誤差が生じる。

従って、空気波長またはこれと関連ある干渉現象を直接に（また周波数と屈折率 を分離せずに）把握するのが有利である。すでにこのような波長安定化Ｈｅ−Ｎ ｅ気体レーザーが知られている（スイス特許４６１１１４およびスイス特許５０ ３２８５）が、これらはもちろん調節範囲が小さく、多大の費用を必要とする　 （Ｆｅｉｎｗｅｒｋｔｅｃｈｎｉｋ　ｕｎｄ　Ｍｅｓｓｔｅｃｈｎｉｋ　９７． 　［１９７９］、　８．　ｐｐ　３６８−３７２）。

環境条件の把握を伴わないレーザーダイオード干渉計は、光源が温度および電流 に対して安定しているが、その周波数は老化現象やヒステリシス効果によって変 化する（ＥＰ出Ｈ１３５０００）、　　このほかに光導波路技術によるレーザー ダイオード干渉計も知られており、この場合には環境媒体（空気）中で生じる干 渉現象が空気屈折率（コンピュータにより補整）の把握に利用される（ＤＥ−Ｏ Ｓ　３７　Ｉｓ　６２７）、　干渉信号の評価の問題は別として、空気を充填し た基準干渉計からの光を結合させるために、光検出器に通じる先導波路内に、正 確に調節できる鏡を設けである。

（発明の目的） 本発明の目的は、簡単で小型の光学的構造を有し、しかも空気波長を正確に把握 し安定化することのできる、最初に述べたような、空気波長を測定し把握するた めの装置を提供することにある。

本発明によれば、これは次のように達成される。すなわち、レーザー光源からく る光が間隔をおいた、少なくとも２個の、実質的に点状の光源によって示される 位置で環境媒体に達し、実質的に点状の光源から出る光波が入側またはそれ以上 の光検出器によって把握される空間的干渉現象を起こして環境媒体内で干渉する 。

間隔をおいて配置され、実質的に点状の（すなわち、その広がりが５０μ組　さ らに好ましくは１０μ厘未満の）光源から出る光波が互いに重なり、　（はぼヤ ングの干渉のように）干渉する。

このような干渉現象は、まず静的であり、干渉は主として２つ〔またはそれ以上 〕の波の透過の幾何学的条件に依存する。もちろん、環境媒体の屈折率が変わる と、レーザー光源の周波数が一定のときには干渉現象も変化する。干渉現象を検 出するには、干渉がずれるときに、検出された光線の強度が互いに対向して変化 するように２個の光検出器を配置するとよい。この場合、光検出器と光源の間の 距離を一定に、また安定に保つことが重要である。

これは、環境媒体の屈折率に影響を及ぼす各種パラメータ（とくに湿度）によっ て、できるだけ影響を受けない材質からなる簡単な間隔リングによって達成でき る。このためには熱膨張係数αが１０−６から１０−’に−１の石英ガラスまた はガラスセラミックが用いられる。この間隔リングと「光源」の保持部は、それ らが熱的に安定しているときには、作動点の調節のために温度調節を必要とする 光源としてのレーザーダイオードといっしょに配置し、あるいはより大きい距離 を測定する場合、測定区間のそばに波長基準を置いたときは分離して配置するこ とによって、安定化の精度を増すことができる。

光検出器から出された信号を把握でき、空気波長の測定に、また周波数がわかつ ているときは屈折率の測定に、これを利用することができる。この結果は、本来 の測定干渉計データといっしょに、長さ測定のための干渉計に入れて〔空気波長 を知ることは決定的に重要である〕移動行程その他を測定単位に保つようにコン ピュータによって処理することができる。

本発明の一つの好ましい実施形態によれば、空気波長（干渉計の干渉測定尺度） を一定に保つために、光検出器から出された信号を用いる。この場合、光検出器 と接続され、空間的干渉縞、すなわち環境媒体内にある波長が一定となるように 環境媒体の屈折率が変化するときにレーザー光源の周波数を変化させるような、 電子調節装置を備えるようにする。

このような調節を行えば、周波数と屈折率を個別に測定する必要はなくなる。む しろ、決定的な値、すなわち空気波長が、直接、一定に保たれる。このような空 気波長の安定化は、とくに光源としてレーザーダイオードを用いる場合に有利で ある。この場合には一般に、安定化のための外的基準が必要であり、また注入電 流および／または温度を通じて比較的容易に周波数に調節できるからである。

空気波長の安定化は、たとえば後に接続したコンパレータによって光度を調整す る２個の光検出器（また差動フォトダイオード）の間の干渉を捕捉することによ って行われる。このコンパレータ、は、空間的干渉現象が光検出器に対して局所 的に安定するようにレーザーダイオードの注入電流を、従って周波数を調節する 。周波数が環境媒体の屈折率に応じて変化する場合、一定の（空気）波長が得ら れる。しかし、このような調節はレーザーダイオードの温度によって行うことが でき、温度差が周囲温度のそれより大きいときは、共通の温度安定化は排除され る。　　本発明による、実質的に点状の光源は、干渉を発生させる光を周囲空気 中に出すが、本発明のとくに好ましい特徴によれば、　（光源は）光導波路の間 隔をおいた両端部によっ刃形成され、ここからレーザー光源の光が環境媒体内へ 発せられる。光を光導波路内で実際にどの個所へ導くことも難しくはなく、光源 によって定められる光射出端部は容易に、また空間的に安定して固定される。

光導波路は、可撓性の光ファイバー、できれば単一モードのガラスファイバーで あることが望ましく、これが少なくとも環境媒体に面した端部では保持器その他 によって空間的に固定されていることが望ましい。しかし、光導波路はまた基板 統合型光導波路であってもよい。光ファイバーに個々の光フアイバ一端部から干 渉現象を検出しやすくするための光波間の光路差を得るためには、光ファイバー を端部領域で主として平行にし、　（ファイバーの縦方向に見て）間隔をおいた 個所で終結するようにするとよい。統合型光導波路の場合、この目的のためには 光導波路が９０度ずれた角度で基板縁部に斜めに入るようにし、光導波路端面が 基板の縁面と同一平面上にくるようにする。

目標とする精度を得るためには、点光源と光検出器の相対的配置を考え、とくに この相対的配ｌを一定に保持することが決定的意味をもっている。これは、比較 的簡単なスペーサーを用いることによって達成できる。このスペーサーは一方で 光検出器を保持し、もう一方で、たとえばガラスファイバ一端部の保持部と、ま たは統合型先導波路の場合、基板と接続されている。とくに干渉現象が発生する 空間を囲む間隔リングが安定していると考えられる。波長基準としての保持部と 間隔リングの組合せには、環境媒体が空間内へ流出流入できるように適当な開口 部が形成されている。

本発明のその他の利点および詳細について、以下に図面を用いて詳しく説明する 。

（図面の簡単な説明） 図１と図２は、本発明による波長安定のための装置の実施例を備えた干渉計の概 略図であり、図３と図４は本発明の装置の別の実施例の概略図である。

図１は、ガラスファイバー技術で作られた波長安定化型長さ測定干渉計の概略図 である。レーザーダイオードは、たとえば結合線（図示せず）を通じて、単一モ ードファイバー２．３．４および５に光を発する。ファイバー２は物体９を経由 して環境媒体（空気）内の測定区間に測定光を導く。３重鐘１１は可動式測定プ リズムとして向きを変え、物体１０はファイバー６に結合する。

基準ファイバー５に導かれた基準光線、およびファイバー６内に導かれた測定光 線はファイバーからの出口で空間的干渉現象を起こし、これが長さ測定のための 測定光検出器１２によって把握される。

レーザーダイオード１から出される光の、気体状環境媒体（空気）内にある波長 を安定させるための本発明による装置は、２本の光ファイバー３および４（好ま しくは、単一モードガラスファイバー）を備えており、これらはレーザーダイオ ード１からの光を導き、その端部３ａと４ａは、互いに間隔をおき、実質的に点 状の光源を形成している。保持部１５内に保持されている２本の光ファイバーの 端部３ａと４ａからは、２つの放射コーン（円錐状の光放射）が出て、これが環 境媒体内で重なり、干渉現象を起こす、２個の光検出器８ａと８ｂを保持するガ ラスセラミック製または石英ガラス製の間隔リング７には貫通孔１６があり、こ れによって空気は、間隔リング７によって形成されたリング内に入ることができ る。間隔リング７は保持部１５と、たとえば接着により、固く結合されている。

２個の互いに隣接した光検出器８ａと８ｂは、光ファイバー３および４の出口３ ａと４ａから一定の距離をおいた便利な個所に配置されている。光検出器８ａお よび８ｂから出る信号は、最も簡単な場合には１個のコンパレータによって構成 された調節装置１３に結合される。調節装置１３の出力部はレーザーダイオード の電源１４に接続され、環境媒体の屈折率が変化するときに、検出された干渉現 象が、従って空気波長が一定となるように、レーザーダイオードの投入電流を、 つまりレーザーダイオードの発光周波数を制御調節する。もちろん、レーザーダ イオード１の周波数に影響を与える他の調節パラメータ（たとえば温度）も、調 節装置１３によって調節できる。また周波数内で調節できる他のレーザー光源を 用いることもできる。

図２も同様に、空気波長安定化型の長さ測定干渉計を示し、図１と同じか、また はこれに対応する部品には同じ参照番号が付けである。図１の実施例との大きい 違いは、図２の実施例の場合は、基板（たとえば、ガラスまたはニオブ酸リチウ ム）統合型光導波路２’　−６’　を備えていることである。構造がコンパクト であるほかに、このような統合光学技術で作られたシステムの利点は、光導波路 ３゛および４′の出口端部のための特別保持部が必要なことである。間隔リング ７は直接、基板１７に、たとえば接着によって固定される。

図４に示した実施例の場合には、レーザー光源からの光は、光束分割器（ビーム スプリッタ）〔ファイバーカプラー〕　１６を通って、光ファイバー３および４ に到達する。光ファイバーの端部は保持部１５では互いに平行になっているが、 ファイバーの縦方向に見て互い違いの位置にあり、このためにスペーサ（図示せ ず）によって、空間的に固定されている２個の光検出器８ａと８ｂが、より高度 の干渉を起こすようになっている。

図４に示した実施例も、基板統合型先導波路３′および４′を備えており、先導 波路は、基板１７の綾部１７ａに対して斜めに走り、射出光は垂直線によって分 割される。２個の光検出器８ａと８ｂは、空間的干渉現象を検出する。

干渉現象が間隔リングに取付けられた鏡（図示せず）によって、光学的に折り合 わされることが統合光学技術では構造的に有利である。これによって、間隔リン グは半分だけ短くなり、光検出器または光導波路は光源と同じ（チップ）側にあ ることになるや基本的には、空気中に空間的干渉縞を作り出すのに、２個以上の 点状光源を用いることができる。自由大気中で空気波長を安定させる方法によっ て、既知の周波数安定化に比べて、空気の屈折率のパラメータ測定をあとで行い 、そのあと補正を行うことにより、簡単な構造で、干渉計による長さ測定技術に 応用できる方法が得られる。

２ｆ［（または多重）光源の干渉法には、手間のかかるガラスファイバー結合を 行う必要がなく、空気区間内で光線を結合および分離するための対象物も不要で ある。これによって（１対の反射平面板と、高精度の間隔リングを必要とする既 知のファブリ・ベロ・エタロンとは反対に、形態や測定精度があまり要求されな いスペーサーの形での波長基準が可能となる。

Ｆｉｇ、　１ 国際調査報告 国際調査報告 ＥＰ　９０００５３８ ＳＡ　　　　３５８００

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．レーザー光源からの光によって、環境媒体内に生じる干渉現象を把握するた め、少なくとも１個の光検出器を備え、とくに気体状環境媒体内で、レーザー光 源からのコヒーレント光の波長を測定し、安定化させるための装置において、レ ーザー光源（１）から出る光が、間隔をおいた、実質的に点状のレーザー光源に よって示される少なくとも２つの個所（３ａ、４ａ）で環境媒体内に達し、実質 的に点状の光源から出る光波が１個またはそれ以上の光検出器（８ａ、８ｂ）に よって把握される空間的干渉現象を環境媒体内に起こして干渉することを特徴と する、波長を測定し、安定化させるための装置。 ２．レーザー光源（１）から出る光が少なくとも２つの光導波路（３、４；３′ 、４′）へと導かれ、その環境媒体内へ導かれる端部が互いに間隔をおいて配置 され、実質的に点状の光源を形成することを特徴とする、請求項１記載の装置。 ３．光導波路が可撓性の光ファイバー（３、４）、できれば単一モードガラスフ ァイバーであり、少なくともその環境媒体に面した端部が保持器（１５）その他 によって空間的に固定されていることを特徴とする、請求項２記載の装置。 ４．光ファイバー（３、４）が終端部分において、実質上平行に走り、ファイバ ーの縦方向に見て、間隔をおいて終結していることを特徴とする、請求項３記載 の装置。 ５．光導波路が基板（１７）上に統合された光導波路（３′、４′）であり、こ れが基板（１７）の縁部の、間隔をおいた位置で環境媒体内に開いていることを 特徴とする、請求項２記載の装置。 ８．光導波路（３′、４′）が９０度の角度で基板（１７）縁部に対して斜めに 走っていることを特徴とする、請求項５記載の装置。 ７．光導波路端面が基板の縁部表面と同一平面内にあることを特徴とする、請求 項５または６記載の装置。 ８．光検出器（８ａ、８ｂ）がスペーサー（７）上に固定され、実質的に点状の 光源と、１個またはそれ以上の光検出器（８ａ、８ｂ）の間に一定の間隔を保つ 役割を果たすことを特徴とする、請求項１から７までのいずれか一つに記載の装 置。 ９．スペーサー（７）が保持部（１５）と接続され、またはこれと一体に形成さ れていることを特徴とする、請求項３および８に記載の装置。 １０．スペーサー（７）が基板（１７）と接続されていることを特徴とする、請 求項５および８に記載の装置。 １１．　できればリング状のスペーサー（７）が空間を形成し、この中で干渉現 象が起こり、この空間がスペーサーの開口部（１６）を通じて周囲空気と連通し ていることを特徴とする、請求項８から１０までのいずれか一つに記載の装置。 １２．スペーサー（７）の材質が、できれば石英ガラスまたはガラスセラミック であり、熱膨張係数が１０−６Ｋ−１以下であることを特徴とする、請求項８か ら１１までのいずれか一つに記載の装置。 １３．少なくとも１個の光検出器が差動フォトダイオードであり、または２個の 密接に隣接したフォトダイオードが含まれていることを特徴とする、請求項１か ら１２までのいずれか一つに記載の装置。 １４．レーザー光源がレーザーダイオード（１）であることを特徴とする、請求 項１から１３までのいずれか一つに記載の装置。 １５．干渉現象がたとえば１個の鏡によって光学的に折り合わされ、光検出器が 、できれば実質的に点状の光源のそばにあることを特徴とする、請求項１から１ ４までのいずれか一つに記載の装置。 １６．電子調節装置（１３）を備え、これが１個またはそれ以上の光検出器（８ ａ、８ｂ）と接続され、環境媒体の屈折率が変化したときに、空間的干渉縞が、 従って、環境媒体内の波長が一定となるようにレーザー光源（１）の周波数を変 化させることを特徴とした、請求項１から１４までのいずれか一つに記載の装置 。 １７．請求項１から１６までの一つに記載の、空気波長を測定し、また安定化さ せるための装置を備えた長さ測定のための干渉計。 １８．一定の基準区間（５）および変化する測定区間を通じて導かれるレーザー 光源（１）からの光が、２個の互いに間隔をおいた、実質的に点状の光源が示す 位置で、各光導波路（５、６）から出て空間的干渉縞を形成し、これが少なくと も１個の測定光検出器（１２）によって把握されることを特徴とする、請求項１ ７記載の干渉計。