DE2904836A1 - Interferometrische einrichtung zur messung der wellenlaenge optischer strahlung - Google Patents
Interferometrische einrichtung zur messung der wellenlaenge optischer strahlungInfo
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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
0 3 0 0 3 3/0318
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.
030033/0318
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 nQ der mittlere Brechungsindex des Materials
030033/0 3 18 BAD ORIGINAL
(Quarz, d.h. in der Praxis Quarzglas) der Körper 1 und 2 ist. Ein
Strahlungsbündel E, das unter dem Brewsterwinkel EQ =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
0300 3 3/0 3
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 iQ+2b cos 10)-af(<fr)).} (2)
J.
22(ioH)) 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" .
030033/031 8
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 ER 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 TR
sowie ein durchgelassenes moduliertes Meßstrahlunqsbündel T^ aus.
Die austretenden Bündel TR 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 liefert, 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.
030033/0318 ORFGINAL INSPECTED1
- 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
O3CO33/0318
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.
BAD ORIGINAL
Leerseite
Claims (5)
- Patont-inspriichol.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 Strahlungsbündel83003 3/03T8BAD ORIGINAL904836in 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/.0 3 0 Q 3 3 / 0 3 1
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 4S dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzvervielfächer zwischen den Ausgang der photoelektrischen Wandleranordnung und den Eingang des die Modulationsperioden der Referenzspannung zählenden Zählers geschaltet ist.0 3 0 0 3 3 / 0 3 1 8
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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DE2904836C2 (de) | 1990-04-26 |
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