NL8201975A - Laserinrichting en interferometer bevattende een dergelijke laserinrichting. - Google Patents

Description

PHN 10.352 t N.V. PHILIPS' GLOEII^MPENPABRIEKEN TE EINDHOVEN.

"Laserinrichting en interferometer bevattende een dergelijke laser-inrichting"

De uitvinding heeft betrekking (¾) een laserLnrichting waarvan de laser van twee qp een as gelegen reflektoren is voorzien welke samen de laserresonator vormen en één van de reflektoren qp middelen is aangebracht die een beweging langs de genoemde as mogelijk maken en 5 één van de reflektoren de opgewekte stralingsbundel doorlaat, welke stralingsbundel qp een bundeldeler valt en tenminste een deel van de stralingsbundel door een Fabry-Perot interferometer, die een efféktieve golflengte etalon vormt, op een detektiesysteem valt, welk detektie-systeem de genoemde middelen zodanig stuurt, dat de door de etalon vast-10 gestelde effektieve golflengte gelijk is aan de efféktieve golflengte van de door de laser opgewekte straling.

De uitvinding heeft tevens betrekking op een interferometer bevattende een dergelijke laser inrichting.

Een dergelijke laserinrichting en interferometer zijn bekend 15 uit het artikel "Wellenlangenstabilisation", Feinwerktechnik und Mess-technik 87 (1979) 8. Daarin is beschreven dat als de afstand tussen de reflektoren van een Fahry-Perot interferometer door de parameters die een verandering van de brekingsindex van het cmgevingsmedium (b.v. lucht) niet beïnvloed wordt, een effektieve golflengte etalon verkregen is.

20 De effektieve golflengte \Q is gedefinieerd als de golflengte in de vrije ruimte \ (de vrije‘ruimte is de lege ruimte zander deeltjes) gedeeld door de brekingsindex n van het medium (b.v. lucht). Dus λ =— ~ (1)

Het is daarbij nodig, dat het medium tussen de reflektoren 25 van de Fabry-Perot interferometer de toestand (temperatuur, druk, vochtigheid etc.) kan aannemen die in de omgeving heerst. De ruimte tussen de reflektoren van de Fabry-Perot interferometer staat daarom in verbinding met de omgeving. Omdat de afstand tussen de reflektoren van de Fabry-Perot interferometer kanstant gehouden moet worden en tenperatuurs-30 veranderingen geen invloed mogen hebben qp deze afstand tussen de reflék-taren, is de af standhouder tussen de reflektoren bij voorkeur van Zerodur vervaardigd. (Zerodur is een merknaam van de firma Schott, zie "Schott- 8201975 PHN 10.352 2 information" Nr. 1, S1-21). In de in het artikel "WeUenlangenstabili-sation", Feinwerktechnik und Messtechnik 87 (1979) 8 beschreven laser-inrichting wordt een uit een He-Ne-laser tredende stralingsbundel door een bundeldeler gesplitst en valt één van de zo gevormde deelbundels 5 divergerend door een met de omgevingslucht in verbinding staande Fabry-Perot interferometer·. Eén van de daarbij gevormde interferentieringen valt op een detektiesysteem bevattend twee naast elkaar geplaatste fotocellen (een z.g. differentiaalfotodiode). Zodra de brekingsindex in de etalon verandert verplaatst de interferentiering zich en werden de 10 diodes ongelijk belicht. Een verschilversterker stuurt dan een zodanige spanning naar de middelen voor het verplaatsen van één van de reflektoren van de lasa:, dat de effektieve golflengte van de laser wordt aangepast en de interferentiering weer op de fotodiodes wordt gecentreerd. De toegepaste mono-mode He-Ne-laser is duur. De uitvinding beoogt dan ook een 15 laser inrichting aan te geven waarin het niet nodig is een mono-mode laser toe te passen.

Een las er inrichting van de in de eerste alinea beschreven soort wordt volgens de uitvinding gekenmerkt, doordat de etalon direkt op de genoemde as is gecentreerd en de bundeldeler in de stralingsweg 20 voor of na de etalon is aangebracht. Ctndat de etalon direkt in de stralingsweg van de opgewekte stralingsbundel is aangebracht, wordt bij toepassing van een relatief goedkope multi-mode He-Ne-laser één mode geselekteerd en de andere modes verworpen (gereflecteerd).

Het is mogelijk de bundeldeler vóór de etalon in de stralings-25 weg aan te brengen en een van de deelbundels,.parallel aan de andere deelbundel, door de etalon op het detektiesysteem te laten vallen. Het is echter ook mogelijk de bundeldeler na de etalon in de stralingsweg aan te brengen, en een van de deelbundels qp het detektiesysteem te laten vallen.

30 De deelbundel die op het detektiesysteem valt kan, net als bij de beschreven laser inrichting volgens de stand van de techniek, een divergerende bundel zijn, waarbij een interferentiering wordt gevormd die qp een differentiaal-fotodiode valt en daarop doorlopend gecentreerd wordt.

35 Het is echter ook mogelijk dat het detektiesysteem een intensi- teitsgevoelig detektiesysteem is en het maximum van de intensiteit van de door de etalon doorgelaten straling door een op gezette tijden 8201975 , > 4 PHN 10.352 3 heen en weer bewegen van de laserreflector wordt vastgesteld.

Een dergelijke effectieve golflengte gestabiliseerde laser-inrichting kan vaak bijzonder goed in plaats van een frequentie gestabiliseerde laserinrichting als stralingsbron in een interferaneter 5 worden toegepast. Een dergelijke interferometer bevat naast een stralingsbron verder een tundeldeler voor het vormen van een eerste en een tweede deelbundel uit de door de stralingsbron opgewekte stralingsbundel, welke twee deelbundels, nadat de eerste deelbundel gereflecteerd is aan een vlak van een te onderzoeken voorwerp, tot samenvallen gébracht 10 worden in het vlak van een stralingsgevoelig detektiestelsel.

Een dergelijke interferometer, gébruikt als verplaatsings-meter is beschreven in "Philips' Technical Review 30 No. 6/7, pag. 160-165, welke artikel als hierin opgenomen kan worden beschouwd.

In de weg van elk der deelbundels is een refléktor opgenomen. Van deze 15 refléktoren is er een stationair opgesteld, terwijl de tweede vast met het voorwerp, waarvan de verplaatsing gemeten moet worden, verbonden is. Nadat de twee deelbundels gereflekteerd zijn, worden zij door de bundeldeler weer samengebracht waarbij dan deze bundels, die ongeveer dezelfde weglengtes hébben afgelegd, met elkaar interfereren.

20 De resulterende intensiteit hangt af van de relatieve fase der deelbundels en zal dus periodiek variëren als de optische weglengte van de tweede deelbundel, door een verplaatsing van het voorwerp, continue toe- of af neemt. Een periode van het interferentiepatroon kant overeen met een weglengteverandering ter grootte van een halve effectieve 25 golflengte van het gébruikte licht. Met behulp van een stalings-gevoelige detektor kan een periodiek, elektrisch signaal verkregen worden, waarbij het aantal periodes, dat dus een maat voor de verplaatsing van het voorwerp is, geteld kan worden.

Het artikel in "Philips' Technical Review" 30 No. 6/7, 30 Pa<J· 160-165 beschrijft een speciale interferometer met bijzonder goede eigenschappen, zoals een nauwkeurigheid tot een fraktie van 1 yum, eenvoudige digitale indikatie en onderscheiding van verplaatsingen voor- en achteruit. De genoemde eigenschappen kunnen echter slechts verkregen worden als gebruik gemaakt wordt van een speciale, 35 in frequentie gestabiliseerde laserbron, die een laserbundel met twee tegengesteld circulair gepolariseerde kcmponenten van gelijke intensiteit maar van verschillende frequenties, levert. Een dergelijke 8201975 PHN 10.352 4 ______ frequentiegestabiliseerde laserbron is zeer duur. De stabilisatiemethode, waarbij gebruik gemaakt wordt van het Zeeraan-effect, is beschreven in Appl. Phys. Letters 6, 198, 1965.

In de ter inzage gelegde Nederlandse octrooiaanvrage g 8005258 (PHN 9846),welke' als hierin qpgencmen kan worden beschouwd, is ook een dergelijke zeer nauwkeurig werkende interferometer beschreven waarin zeer goed een laser inrichting volgens de uitvinding kan worden toegepast. Daarbij is het stralingsgevoelige detektiestel-sel een multipele fotocel, bestaande uit een rij lijnvormige foto-10 diodes die na elkaar door een elektronische schakelaar verbonden worden met een elektronische schakeling voor het verwerken van het in de fotodiodes opgewekte signaal. Daardoor functioneert het detéktie-stelsel als een bewegende rastervormige detektor, waarbij de raster-periode van de multipele fotocel overeenkomt met de periode 15 van het lijnvormig interferentiepatroon van de twee gesuperponeerde deelbundels. De in deze octrooiaanvrage beschreven vinding maakt gebruik van het feit, dat in de interferometer een sinus vormig interferentiepatroon opgewekt kan worden en dat de-, tengevolge van een verandering in de weglengte van een deelbundel optredende, intensiteitsverandering 20 in het interferentiepatroon beschouwd kan worden als een zich verplaatsen van dit interferentiepatroon. De verplaatsing van een dergelijk patroon van lichte en donkere lijnen, dat op haar beurt beschouwd kan worden als een raster, kan bepaald worden met behulp van een referentieraster in de vorm van een multipele fotocel.

25 Een dergelijke multipele fotocel is uitvoerig beschreven in het Amerikaanse octrooischrift No. 3.973.119 (PHN 7442). Volgens dit octrooischrift kan de verplaatsing van een voorwerp gemeten worden door projektie van een eerste, met het voorwerp verbonden, raster qp een referentieraster gevormd door de multipele fotocel. De nauw-30 keurigheid van deze verplaatsingsmeting wordt bepaald door de raster-periode van het eerste raster. Deze rasterperiode is bijvoorbeeld 635^um. Via een geschikte signaalverwerking en interpolatie binnen de s ignaalper iode is een verplaats ingsmeting tot op in principe 0,5 ^,um nauwkeurig mogelijk.

35 De uitvinding wordt nu bij wijze van voorbeeld nader toege licht aan de hand van een tekening waarin figuur 1 schematisch een laser inrichting volgens de uit- 8201975 * , * PHN 10.352 5 vinding is weergegeven en in figuur 2 schematisch een tweede uitvoeringsvoorbeeld van een laser inrichting volgens de uitvinding is getoond.

De laser van de inrichting volgens figuur 1 bevat een gas-s gevulde (bijvoorbeeld met een He-Ne gasmengsel) glazen omhulling 1 die een lasercapillair 2 bevat en die is afgesloten met twee metalen platen 3 en 4 die van qpeningen 5 en 6 voorzien zijn. Tegen deze platen zijn tegenover de uiteinden van het lasercapillair 2 de laser-reflectoren 7 en 8 bevestigd, bestaande uit een glazen substraat lfl waarop qp de naar de binnenzijde van de omhulling toegekeerde zijde spiegelende lagen zijn cpgedairpt. Tussen plaat 4 en laserreflector 8 is een cilinder 9 uit eléktrostrictief materiaal bevestigd, die van twee elektrodes 10 en 11 is voorzien, waartussen een potentiaal kan worden aangelegd. Door het aanleggen van een potentiaal zet 15 het materiaal van de cilinder 9 in axiale richting (langs as 12) uit of krimpt in, zodat reflector 8 ten opzichte van reflector 7 bewogen kan worden. Voor het bewegen van reflector 8 kunnen natuurlijk ook andere bekende middelen worden gebruikt, zoals elektromagnetische, hydraulische of pneumatische middelen. Door tussen plaat 3, die 2q tevens de anode vormt, en de kathode, die uit een coaxiale metalen cilinder 13 bestaat, een voldoende hoge potentiaal aan te leggen, wordt een gaslontlading in de met gas gevulde cmhulling 1 opgewekt, die via het lasercapillair 2 verloopt. De reflectoren 7 en 8 vormen samen net het lasercapillair 2 de laserresonator. De opgewekte stralingsbundel 25 14 valt door een op as 12 gecentreerde en bevestigde Fabry-Perot in terferometer 15, die een effectieve golflengte etalon vormt. Dit etalon bevat een van een of meer cpeningen 26 voorziene afstandhouder 16 uit Zerodur en twee evenwijdige reflectoren 17 en 18 met een reflectiecoëfficiënt R van ongeveer 95%. Deze reflectoren bestaan 30 eveneens uit een substraat waarop spiegelende lagen zijn opgedampt.

Omdat de afstandhouder 16 van Zerodur vervaardigd is, is de afstand tussen de reflectoren 17 en 18 zeer constant en onafhankelijk van de temperatuur en vochtigheid van de omgeving. De afstand tussen de reflectoren is in dit geval ongeveer 4 mm. Meestal zijn Fabry-Perot 35 interferometers geevacueerd. Door het aanbrengen van opening 26 in de hier gebruikte Fabry-Perot interferometer kan het medium (bijvoorde beeld lucht) in/etalon tussen de reflectoren de toestand (druk, tem- 8201975 PHN 10.352 '6 > peratuur en vochtigheid etc.) aannemen die· ook in de rest van de inrichting heerst. De uit de etalon tredende bundel 19 wordt met behulp van deelspiegel 20 gesplitst in twee deelbundels 21 en 22. De deelbundel 22 valt op een intensiteitsgevoelig detéktiesysteem 23/ g bijvoorbeeld een fotodiode. Totdat de intensiteit van de deelbundel 22 maximaal is, wordt via de regelversterker 24 tussen de elektrodes 10 en 11 van cilinder 9 uit elèktrostrictief materiaal een andere potentiaal aangelegd en de laser zo afgeregeld, dat de opgewekte effectieve golflengte overeenkomt met de door etalon 15 vastgelegde 1q effectieve golflengte. Het maximum van de intensiteit van de door de etalon doorgelaten straling kan gevonden worden door periodiek de laserreflector heen en weer te bewegen. Door het bij punt A in de stralingsweg aanbrengen van een tweede etalon, dat op dezelfde effectieve golflengte als de eerste etalon is af gestemd, maar dat een andere afstand tussen de reflectoren heeft, kan de inrichting nog worden verbeterd. Door het aanbrengen van dit tweede etalon in de inrichting wordt bij het aanzetten van de inrichting steeds weer dezelfde mode geselekteerd en worden de andere modes gereflecteerd.

In figuur 2 is een ander uitvoeringsvoorbeeld van een laser-2Q inrichting volgens de uitvinding schematisch weergegeven. De door een laser identiek aan die van f iguur 1 (hier getoond) opgewekte stralingsbundel 30 wordt met behulp van een deelspiegel 31 en een : spiegel 32 die samen een bundeldeler vormen gesplitst in twee evenwijdige deelbundels 33 en 34. Bundel 34 valt door een divergerende lens 25 35 en daarna samen met deelbundel 33 door het Fabry-Perot etalon 36.

Dit etalon bevat een van een opening 37 voorziene afstandhouder 38 bestaande uit Zerodur en twee reflectoren 39 en 40 met een reflectie-coëficiënt R van ongeveer 95%. De reflectoren bestaan ook in dit geval uit een substraat waarop spiegelende lagen zijn opgedampt. Omdat de 3Q afstandhouder van Zerodur vervaardigd is, is de afstand (in dit geval 4 mn) tussen de reflectoren 39 en 40 zeer constant en onafhankelijk van de temperatuur en vochtigheid van de omgeving. Door het aanbrengen van opening 37 in de etalon kan het medium (bijvoorbeeld lucht) in de etalon tussen de reflectoren de toestand (druk, temperatuur, voch-3g tigheid etc.) aannemen die ook in de rest van de inrichting heerst.

De door middel van lens 35 divergerende gemaakte deelbundel 34 valt via een lenzensysteem 41 op een matglas 42, alwaar enkele inter- 8201975 k * EHN 10.352 7 ferentieringen worden afgebeeld. Een dezer interferentieringen wordt gecentreerd gehouden op twee naast elkaar gelegen fotocellen 43 waarvan het signaal via een verschilversterker 44 de laser (hier niet getoond) zo afstermen, dat de effectieve golflengte van de opgewekte 5 laserbundel overeenstemt met de effectieve golflengte die door het Fabry-Perot etalon is vastgelegd.

Het is natuurlijk ook mogelijk een dergelijk detéktiesysteem zoals toegepast in figuur 2 in de laserinrichting volgens figuur 1 toe te passen en een detektiesysteem zoals toegepast in de inrichting jq van figuur 1 in de inrichting volgens figuur 2. In dat geval is het mogelijk, analoog aan het tweede etalon bij punt A in figuur 1, een tweede etalon voor het detektiesysteem aan te brengen, dat op dezelfde effectieve golflengte als de eerste etalon is af gestemd, maar dat een andere afstand tussen de reflectoren heeft. Bij een detektie-15 systeem zoals toegepast in figuur 2 is het echter ook mogelijk in plaats van spiegel 32 een deelspiegel toe te passen en de door deze deelspiegel tredende deelbundel via het tweede etalon op een intensi-teitsgevoelig detéktiesysteem te laten vallen.

20 25 30 35 8201975

Claims (7)

1. Laser inrichting waarvan de laser van twee op een as gelegen reflectoren is voorzien welke samen de laserresonator vormen en één van de reflector qp middelen is aangebracht die een beweging langs de genoemde as mogelijk maken en een van de reflectoren de opgewekte 5 stralingsbundel doorlaat, welke stralingsbundel op een bundeldeler valt en tenminste een deel van de stralingsbundel door een Fabry-Perot interferometer, die een effectieve golflengte etalon vormt, op een detektiesysteem valt, welk detektiesysteem de genoemde middelen zodanig stuurt, dat de door de etalon vastgelegde effectieve golflengte gelijk 10 is aan de effectieve golflengte van de door de laser opgewekte straling, met het kenmerk, dat de etalon dirékt cp de genoemde as is gecentreerd en de bundeldeler in de stralingsweg voor of na de etalon is aangebracht.

2. Laser inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat 15 de bundeldeler voor de etalon in de lichtweg is aangebracht en een van de deelbundels in hoofdzaak parallel aan de andere deelbundel door de etalon op het detektiesysteem valt.

3. Laser inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de bundeldeler na de etalon in de stralingsweg is aangebracht 20 en een van de deelbundels qp het detektiesysteem valt.

4. Laserinrichting volgens conclusie 1, 2 of 3, met het kenmerk, dat het detektiesysteem een intensiteitsgevoelig detektiesysteem is en het maximum van de intensiteit van de door de etalon doorgelaten straling door een op gezette tijden heen en weer bewegen van een 25 der reflectoren van de lager wordt vastgelegd.

5. Laserinrichting volgens conclusie 4, met het kenmerk, dat de deelbundel via een tweede etalon qp het detektiesysteem valt, welk tweede etalon op dezelfde effectieve golflengte is afgestemd als de eerste etalon, maar dat een andere afstand tussen de reflectoren 30 heeft.

6. Interferometer bevattende een, een stralingsbundel leverende, stralingsbron, een bundeldeler voor het vormen van een eerste en een tweede deelbundel uit de stralingsbundel, welke twee deelbundels, nadat de eerste deelbundel gereflecteerd is aan een vlak van een te onder-35 zoeken voorwerp, tot samenvallen gebracht worden in het vlak van een stralingsgevoelig detektiestelsel, met het kenmerk, dat de stralingsbron een laserinrichting volgens een der voorgaande conclusies 8201975 **· -PHN 10.352 9 t is.

7. Interferometer volgens conclusie 6, met het kenmerk, dat het stralingsgevoelige detéktiestelsel een rastervormig element bevat, waarvan de rasterperiode overeenstemt met de periode van het lijn-5 vormige Interferentiepatroon van de twee gesuperponeerde deelbundels. 10 15 20 25 30 35 8201975