DE2904836A1

DE2904836A1 - Interferometrische einrichtung zur messung der wellenlaenge optischer strahlung

Info

Publication number: DE2904836A1
Application number: DE19792904836
Authority: DE
Inventors: Jan Dipl Phys Dr Jasny; Fritz-Peter Prof Dipl Schaefer
Original assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Current assignee: Max Planck Gesellschaft zur Foerderung der Wissenschaften eV
Priority date: 1979-02-08
Filing date: 1979-02-08
Publication date: 1980-08-14
Also published as: DE2904836C2; US4329055A

Description

- 4 - 29. Januar 1979

10498 Dr.v.B/hd

Max-Planck-Gesellschaft

zur Förderung der Wissenschaften e.V.

Bunsenstraße 10, 3400 Göttingen

Interferometrische Einrichtung zur Messung der Wellenlänge optischer Strahlunq

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, insbesondere eine interferometrische Einrichtung zur Messung der Wellenlänge von Laserstrahlung.

Die Aufgabe, die Wellenlänge einer optischen Strahlung, wie Laserstrahlung, mit einer Genauigkeit von besser als 10 zu bestimmen, ist nicht trivial. Eine Übersicht auf die dabei auftretenden Schwierigkeiten und Probleme, sowie über die neuesten Meßverfahren findet sich in dem Buch "Laser Spectroscopy III. Proceedings of the Third International Conference, Jackson Lake Lodge, Wyoming, USA, July 4 8, 1977", Herausgeber: J.L. Hall und J.L. Car!sten, Springer-Verlag Berlin-Heidelberg-New York 1977, Kapitel 9: Laser Wavelength Measurements, Seiten 410 bis 426. Das zur Zeit vorteilhafteste und am meisten angewandte Verfahren zur Laserwellenlängen-Bestimmung wurde zuerst von J.L. Hall und S.A. Lee angegeben (Applied Physics Letters 29_, Nr. 6, 15. September 1976, Seiten 367 bis 369) und beruht auf der Verwendung eines Miehe!son-Interferometers mit bewegten Spiegeln. Bei diesem Meßverfahren wird ein Referenzstrahlungsbündel genau bekannter Wellenlänge von einem stabilisierten Laser (z.B. einem jodstabilisierten

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He-Ne-Laser) auf einen photoelektrischen Wandler gelenkt und etwas seitlich versetzt und parallel zum Referenzstrahlungsbündel ein Meßstrahl ungsbündel unbekannter Wellenlänge auf einen zweiten Detektor geworfen. Das Interferometer enthält eine ßündelteileranordnung, durch die die einfallenden Strahlungsbündel jeweils in zwei Teil bündel aufgespalten werden, und durch verschiebbar qelanerte Spiegel kann die Länge des vom einen Teil bündel durchlaufenen Weges bezüglich der Länge des vom anderen Teilbündel durchlaufenen Weges geändert werden. Bewegt man die Spiegel, so werden die aus dem Interferometer austretenden Strahlungsbündel durch die entstehende Interferenz in der Intensität moduliert und die beiden Detektoren liefern dementsprechend modulierte elektrische Signale. Durch Messung bzw. Zählunq der Modulationsfrequenzen des Referenzstrahlunnsbündels und.des Meßstrahl unnsbündels läßt sich das Verhältnis der Wellenlängen des Referenz- und Meßstrahlungsbündels ermitteln. Um eine Genauigkeit von mehr als 10 zu erreichen, müssen im bekannten Falle die beweglichen Spiegel um etwa 1 m verschoben werden, wozu etwa 25 Sekunden erforderlich sind. Die bekannte Einrichtung hat einen dementsprechend großen Platzbedarf und wegen der großen Abmessungen muß besondere Sorgfalt hinsichtlich einer erschütterungsfreien Aufstellung aufgewendet werden. Die Einrichtung ist praktisch nur als ortsfestes Gerät verwendbar und die Strahlungsquellen, deren Wellenlänge zu messen ist, müssen daher zu der Meßeinrichtung gebracht werden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der oben erwähnten Art derart weiterzubilden, daß die Messung schneller, einfacher und mit gleicher, wenn nicht sogar höherer Genauigkeit durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichnete Einrichtung gelöst.

Weiterbildungen und vorteilhafte Ausgestaltungen der Einrichtung gemäß der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

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Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Darstellung eines optischen Teiles einer Einrichtung gemäß der Ausführungs form der Erfindung,

Figur 2 ein Schaltbild einer photoelektrischen Wandleranordnung und Signal verarbeitungsschal tuno, die in Verbindung mit dem in Figur 1 dargestellten optischen Teil in einer Einrichtung gemäß der Erfindung verwendet werden können, und

Figur 3 eine graphische Darstellung zur Erläuterung der Arbeitsweise des Interferometers gemäß Figur 1.

Der in Figur 1 dargestellte optische Teil einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung gemäß der Erfindung stellt ein sogenanntes Jasny-Interferometer dar. Es enthält einen Bündel teiler aus zwei optisch transparenten Körpern 1 und 2, im vorliegenden Falle Quarzblöcken, die die Form von rechtwinkligen Parallelepipeden der Länge a und der Höhe b haben und an vier Seiten poliert sind, nämlich an zwei Stirnflächen la und Ib bzw. 2a und 2b sowie zwei Seitenflächen Ic und Id bzw. 2c und 2d. Die Seitenflächen Ic und 2c sind sehr nahe beieinander angeordnet, sie berühren sich jedoch nicht sondern sind durch eine Luftschicht von 108 Nanomptern Dicke getrennt, die durch zwei bei den langen Rändern des einen Quarzblockes aufgedampfte, ca 7 Millimeter breite Abstandshalter aus MgF₂ eingehalten wird (nicht dargestellt). Infolge des geringen Abstandes der die Luftschicht begrenzenden Flächen Ic und 2c der Körper 1 und 2 wird die Totalreflexion an diesen Flächen behindert und wirkt die "Grenzfläche" zwischen den beiden Quarzblöcken als 50 ?öiger Bündelteiler bei einer Lichtwellenlänge von 500 Nanometern. Dieses Teilungsverhältnis bleibt auch im ganzen Sichtbaren, nahen Ultraviolett und nahen Infrarot in der Nähe von 50 %. Das Verhältnis der Länge a zur Höhe b ist so gewählt, daß (a/b) = 2j1q ist, wobei n_Q der mittlere Brechungsindex des Materials

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(Quarz, d.h. in der Praxis Quarzglas) der Körper 1 und 2 ist. Ein Strahlungsbündel E, das unter dem Brewsterwinkel E_Q =55° 40' auf den Mittelpunkt der Stirnfläche la des Körpers 1 fällt, wird gebrochen und dann an der Gas-Luft-Trennfläche Ic im Verhältnis 1:1 geteilt, wobei zwei Teilbündel entstehen, die, wie aus Figur 1 ersichtlich ist, weiterlaufen, an den freien Seitenflächen Id bzw. 2d der Körper 1 bzw. 2 total reflektiert werden und aus den anderen beiden Stirnflächen Ib bzw. 2b der Körper 1 und 2 wieder austreten. Die Teilbündel treten dann in eine Stirnfläche 3a eines dritten Körpers 3 aus optisch transparentem Material, vorzugsweise wieder einem Quarzbzw. Quarzglasblock ein, der die Länae a hat und hinsichtlich Material, Form und Oberflachenbeschaffenheit ebenso ausgebildet ist wie die Körper 1 und 2. Die Höhe des Körpers 3 ist so bemessen, daß die durch die Stirnfläche 3a eingetretenen Teil bündel sich nach ein- oder mehrmaliger (vorzugsweise zweimaliger) Totalreflexion an polierten Seitenflächen 3c und 3d sich an der anderen Stirnfläche 3b treffen und dort austreten. Die Teilstrahlengänge des Interferometers werden durch eine Reflektoranordnung aus zwei stationären Spiegeln 4 und 5 vervollständigt, die die aus dem Körper 3 austretenden Teilbündel in sich selbst reflektieren. Die zurücklaufenden Teilbündel werden im Bündelteiler 1, 2 zu einem reflektierten Bündel R und einem durchgelassenen Bündel T vereinigt, die aus der Stirnfläche la bzw. 2a austreten.

Der Körper 3 ist um eine Achse drehbar, die durch den mit 0 bezeichneten Punkt in Figur 1 geht, also senkrecht auf der die Achsen der Strahlungsbündel enthaltenden Ebene steht. Wird der Körper 3 um diese Achse gedreht, so verkürzt sich die Länge des optischen Weges des einen Teilbündels während die Länge des optischen Weges des anderen Teilbündels gegenläufig um den gleichen Betrag verlängert wird. Bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit werden dabei die Intensitäten des reflektierten und des durchgelassenen Strahlungsbündels R bzw. T gegenphasig sinusförmig moduliert. Die Modulationsfrequenz kann sehr

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BAD ORIGINAL,

hoch sein, da der Körper 3 mit hoher Winkelgeschwindigkeit (gegebenenfalls im Vakuum) rotieren kann. Die beschriebene Führung der Strahlungsbündel hat die Eigenschaft, daß die Einflüsse aller Veränderungen der Oberflächen durch die Fliehkraft, sowie die dadurch verursachten Polarisationseffekte, sowie die Einflüsse von Abweichungen von der geneuen Einjustierung des Körpers 3 bezüglich des Restes der InterferometerbestandteiIe, etwa durch Taumeln der Drehachse oder ähnliche Fehler sich aufheben, weil die Strahlungsbündel durch den Körper 3 genau auf demselben Weg hin- und zurücklaufen.

Die in Figur 1 dargestellte Stellung des Körpers 3 entspricht dem Rotationswinkel ψ = O. Für kleine Werte des Winkels Φ (| 4+ 5°) ist die Modulationsperiode T. der Intensität der austretenden Strahlungsbündel eine nahezu lineare Funktion der mechanischen Rotationsperiode T :

_{£ m} (1)

Κ(φ,λ) = X/{47r(2cos<|>(a sin i_Q+2b cos 1₀)-af(<fr)).} (2)

J.

²²(i_oH)) ² (3)

wobei a und b die oben erwähnte Länge bzw. Höhe der Körper sind, i der Einfallswinkel, unter dem das Strahlungsbündel E in den Körper 1 eintritt, λ die Wellenlänge der Strahlung, η der Brechungsindex des Materials der Körper 1 und 2 (z.B. Quarzglas) bei der Wellenlänge λ ist. Der Faktor Κ(ψ,λ) ist von der Größenordnung 10" .

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290AS-?6

Der Körper 3 durchläuft also während jeder Umdrehung einen kleinen Winkelbereich, in dem das einfallende Strahlunnsbündei E das Interferometer durchläuft und als durchgelassenes Strahlunqsbiindel T aus dem Interferometer austritt. Innerhalb dieses Winkelbereiches nimmt der Körper 3 eine Vielzahl η von Winkel Stellungen ein, in denen jeweils für das Strahlunqsbündel vorgeqebener WeIlenlänge, das das Interferometer durchläuft, die Bedingung für ein Interferenzmaximum erfüllt ist.

Der Winkel bereich -φ < Φ < +φ , in dem das Interferometer die Strahlungsbündel modulieren kann, hänqt hauptsächlich von der benötigten Linearität von T ab, die eine Funktion von T ist, d.h. von

Xr lit

der Abhängigkeit ΔΚ vom mittleren Wert von K, wie er in der folgenden Tabelle angegeben ist.

ΛΚ/Κ

ΙΟ

"⁵

ΙΟ

"⁴

10

-3

Der ausnutzbare Winkel bereich mag zwar klein erscheinen, man muß jedoch berücksichtigen, daß die Anzahl N der Modulationsperioden T

4 5 (abhängig von AK/K und λ) von der Größenordnung 10 bis 10 ist.

Der Aufbau und die Arbeitsweise des in Figur 1 dargestellten Interferometers wurde oben unter Bezugnahme auf nur ein einfallendes Strahlungsbündel E und dementsprechend nur ein austretendes durchgelassenes Strahlungsbündel T erläutert. Bei einer WelTenlängenmessung wird das Interferometer jedoch von zwei nahe benachbarten und parallel zueinander verlaufenden Strahlungsbündel durchsetzt, nämlich einem Referenzstrahlungsbündel E_R genau bekannter Wellenlänge und einem Meßstrahlungsbündel E», unbekannter, zu bestimmender Wellenlänge.

ti 3 0 0 3 3 / 0 3 1

ORIGINAL INSPECTED

- ίο -

Für diese Strahlungsbündel gelten jeweils die Ausführunpen bezüglich des Strahlungsböndels E und aus dem Interferometer treten dementsprechend ein durchgelassenes, moduliertes ReferenzstrahlungsbUndel T_R sowie ein durchgelassenes moduliertes Meßstrahlunqsbündel T^ aus.

Die austretenden Bündel T_R und T„ fallen auf eine photoelektrische Wandleranordnung, die z.B. einen ersten Photodetektor 10 und einen zweiten Photodetektor 12 (z.B. Photodioden, Photovervielfacher) enthält. Der Ausgang des Photodetektors 10, der ein der Modulation des durchgelassenen Referenzstrahlungsbündels entsprechendes elektrisches Signal liefert, ist mit einer phasenstabilisierten Vervielfacherschaltung 14 gekoppelt, die die Modulationsfrequenz mit dem Faktor 100 vervielfacht. Der Ausgang der Vervielfacherschaltunq ist mit dem Signaleingang einer Torschaltung 16 gekoppelt, an deren Ausgang ein erster Zähler 18 angeschlossen ist. 0er Ausgang des Zählers 18 ist an ein Druckwerk 20 angeschlossen.

Der photoelektrische Wandler 12, dessen Ausgang ein der Modulation des Meßstrahlungsbündels entsprechendes elektrisches Signal liefert, ist über eine Phasenstabilisierungsschaltung 22 mit einem zweiten Zähler 24 geschaltet, der auf einen vorgegebenen Zählwert S einstellbar ist. Im vorliegenden Falle soll angenommen werden, daß der Zähler 24 ein die Torschaltung 16 öffnendes Signal an einen Steuereingang der Torschaltung 16 lie^fert, wenn der Zählwert kleiner als S ist. Beim Erreichen des Zählwertes S verschwindet dieses Signal und die Torschaltung 16 wird dadurch gesperrt. Das Ausgangssignal des Zählers 24 wird außerdem einem Steuereingang des Druckwerkes zugeführt, das auf das Verschwinden des Ausgangssignales des Zählers 24 anspricht und den dann im Zähler 18 gespeicherten Wert ausdruckt. Die Anordnung gemäß Figur 2 und ihre Arbeitsweise sind aus der oben erwähnten Arbeit von Hall und Lee bekannt, so daß sich eine nähere Erläuterung erübrigt.

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- li -

Bei der Schaltungsanordnung gemäß Figur 2 wird die Modulationsfrequenz des Referenzstrahlungsbündels verhundertfacht, um die Modulationsperiode in Hundertstel aufzuteilen. Diese verhundertfachte Modulationsfrequenz wird durch den Zähler 18 gezählt.

Nimmt man als obere Grenze für die 7.1. direkt (also ohne Frequenzumsetzung) zählbare Frequenz 500 MHz an, so ergibt sich für die höchste benutzbare Modulationsfrequenz 5 MHz. Wenn die Körper 1, 2 und 3 eine Länge a von 58,0 mm und eine Höhe b von 19,8 mm haben, errechnet sich für eine Wellenlänge von 500 Nanometern eine Umdrehungsfrequenz des Körpers 3 von 2,5 Hz oder eine Umdrehunosperiode von 0,4 Sek. Da die Messung in einem Winkelbereich von etwa -9° bis +9° um die in Figur 1 dargestellte 0 -Lage herum vorgenommen v/erden kann, beträgt die tatsächliche Meßzeit nur 1/20 der ganzen Umdrehunnszeit, d.h. 20 mSek. Die mit der beschriebenen Einrichtunn erreichbare Meßzeit ist also um Größenordnungen kleiner als die-Meßzeiten, die bei Verwendung von Interferometern mit linear verschiebbaren optischen Bauteilen erzielbar ist. Die Anzahl der Modulationsperioden, die bei einer Wellenlänoe von 500 Nanometern in dem erwähnten Winkel bereich von 18° durchlaufen wird, beträgt etwa 60 000. Da auf eine hundertstel Periode genau gemessen wird, liegt also die maximale Meßunsicherheit bei dieser Wellenlänge bei 1,6 · 10 und ist bei längeren Wellenlängen kleiner, bei kürzeren Wellenlängen größer, entsprechend der dann jeweils vorliegenden Zahl von auszählbaren Modulationsperioden.

Die Abhängigkeit der Anzahl N der Modulationsperiode-n von der Größe ΔΚ/Κ ist in Figur 3 graphisch dargestellt.

Aus den bei der Beschreibung des Interferometers erwähnten Dimensionen des rotierenden Quarzblockes und den größenordnungsmäßig gleichen Abmessungen von Bündelteiler und Spiegeln ergibt sich bereits, daß die

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BAD ORIGINAL-

Einrichtung gemäß der Erfindung außerordentlich kompakt und damit wenig erschütterungsanfällig ist. Der aus dem rotierenden Quarzbiock bestehende Körper 3 wird vorzugsweise an der Achse eines Gleichstrommotors befestigt, dessen Drehzahl elektronisch regelbar ist. Die Rückstellung und Freigabe der Zähler jS und 24 kann durch ein von der Umdrehung des Körpers 3 abgeleitetes Signal in bekannter Weise erfolgen. Beispielsweise kann an der den Körper 3 tragenden Welle ein Hohlspiegel angebracht sein, vor dem im Abstand des Krümmungsradius des Hohlspiegels ein Spalt angeordnet ist, hinter dem sich übereinander eine Lichtquelle und eine Photodiode oder ein anderer photoelektrischer Wandler befinden. Bei jeder Umdrehung des Motors wird die Lichtquelle kurzzeitig auf die Photodiode abgebildet und ein kurzer Impuls erzeugt, der, wie erwähnt, zur Rückstellung und Auslösung der Zähler verwendet werden kann. Durch Schwenken der aus Spalt, Lichtquelle und Lichtempfänger bestehenden Einheit mit oder gegen die Drehrichtung des Körpers 3 um dessen Drehachse läßt sich der Zeitpunkt der Erzeugung des Impulses gegenüber der Winkelnullstellung des Körpers 3 vor- oder zurückverlegen. Die Körper 1 und 2 sowie die Spiegel 4 und 5 sind vorzugsweise aus einer Grundplatte aus Quarz oder Glaskeramikmaterial geringer Wärmeausdehnung aufgesprengt oder aufgekittet (nicht dargestellt) um eine besonders hohe mechanische Stabilität der Anordnung zu gewährleisten.

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Leerseite

Claims

Patont-inspriicho

l.J Interferometrische Einrichtung zur Mossunn der Wellenlänge optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlunn, mit einer Referenzstrahlungsquelle zum Erzeuaen eines Referenzstrahlungsbündels bekannter Wellenlänge, einem Interferometer, das einen Bündelteiler zum Aufspalten eines einfallenden Strahlungsbündels in zwei Teilbündel sowie zwei Teilbündel Strahlengänge, deren optische Längen relativ zueinander veränderbar sind, aufweist und vom Refefenzstrahlungsbündel sowie einem dazu parallelen Meßstrahlungsbündel unbekannter Wellenlänge auf zueinander parallelen Wegen durchlaufen wird3 weiterhin mit einer photoelektrischen Wandleranordnung zur Umsetzung der aus dem Interferometer austretenden Strahlungsbündel

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in entsprechende elektrische Signale und einer mit der Wandleranordnung gekoppelten Signal verarbeitungsschaltunq, dadurch gekennzei chnet , daß die Teil bündel Strahlengänge ein drehbares optisches Bauteil (3) bei dessen Drehung sich die Länge der von den Teil bündel η durchlaufenen Wege relativ zueinander ändert, und eine Reflektoranordnunn (4,5), die die aus dem drehbaren Bauteil (3) austretenden Teilbündel in sich reflektiert, enthalten.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bündel teil er zwei optisch transparente quaderförmige Körper (1,2) mit jeweils zwei Stirnflächen (Ia₅Ib bzw. 2a,2b) zum Ein- und Austritt der Strahlunqsbiindel bzw. Teilbündel, und jeweils zwei Seitenflächen (Ic bzw. 2c) enthält, von denen die eine (Ic) des einen Körpers (1) mit so kleinem Abstand bei der ein^n (2c) des anderen Körpers (2) angeordnet ist, daß die Totalreflexion behindert wird und ein schräg auf die Seitenflächen auffallendes Strahlungsbiindel jeweils zu annähernd 50 % reflektiert und 50 % durchgelassen wird.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzei chnet , daß das drehbare optische Bauteil (3) in der Ebene der Teilstrahlengänge gesehen einen rechteckigen Querschnitt hat und so bemessen ist, daß bei symmetrischer Stellung des drehbaren Bauteiles (3) die Teilbündel jeweils wenigstens annähernd in der Mitte einer Stirnfläche ein- bzw. austreten und an den Seitenflächen jeweils mindestens einmal reflektiert werden.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Siqnal verarbeitungsschaltung zwei mit entsprechenden Ausgängen der photoelektrischen Wandleranordnung gekoppelte Zähler zum gleichzeitigen Zählen von Modulationsperioden der aus dem Interferometer austretenden Referenzstrahlung bzv/.

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BAQtORIOINAL.

Meßstrahlung, und eine Steuerschaltung, die den einen Zähler stillsetzt _s wenn der andere Zähler einen vorgegebenen Zählwert erreicht hut₃ enthält.
5. Einrichtung nach Anspruch 4_S dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzvervielfächer zwischen den Ausgang der photoelektrischen Wandleranordnung und den Eingang des die Modulationsperioden der Referenzspannung zählenden Zählers geschaltet ist.

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