DE3700275A1 - Optisches doppeldurchgangs-interferometer und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf optische Interferometer, insbesondere auf eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Umwandlung eines Michelson-Interferometers in ein Doppeldurchgangsinterferometer.

Interferometer sind bekannte optische Geräte, die üblicher­ weise zum Messen unbekannter Längen vermittels bekannter Lichtwellenlängen verwendet werden. Ultrapräzisions­ positioniersysteme, Präzisionslängenmessung, Dickenbe­ stimmung und Fourier-Spektroskopie sind nur einige der vielen Anwendungen, bei denen Interferometer gefunden werden.

Bei einem typischen Amplituden-spaltenden Interferometer trifft ein Einfallstrahlenbündel auf einen Strahlspalter und wird in einen ersten und einen zweiten Strahl ge­ spalten. Jeder dieser beiden Strahlen wird durch einen separaten optischen Weg fortgepflanzt und vor der Wieder­ vereinigung moduliert. Die rekombinierten Strahlen bilden ein Ausgangsstrahlenbündel, welches auf einen Detektor fällt. Ein Interferenzmuster oder Interferogramm in dem Ausgangsstrahl zeigt die Differenz in der Länge zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Weg an. Der Detektor er­ zeugt ein elektrisches Signal als Funktion des Interferenz­ musters.

Spiegel, Tripelprismen oder ähnliche optische Reflexions­ mittel werden gewöhnlich verwendet, um den ersten und den zweiten Strahl durch ihre getrennten optischen Wege zu leiten. Mindestens einer dieser Reflektoren ist beweg­ bar, um die Länge von einem der optischen Wege einstellen zu können. Das einfallende Strahlenbündel wird dadurch moduliert und das Interferenzmuster in dem Ausgangsstrahlen­ bündel erzeugt.

In der Praxis wird der bewegbare Reflektor in einer linearen Richtung zyklisch und mit einer konstanten Geschwindigkeit zwischen zwei Endstellungen bewegt. Der Abstand, welcher die beiden Endstellungen voneinander trennt, ist als die Überstreichlänge (stroke length) bekannt. Die Breite der Seitenstrahlungslappen in dem Interferenzmuster und daher das Auflösevermögen ist proportional der Überstreich­ länge. Das Interferenzmuster wird mit einer Frequenz auf die Mitte eingestellt, die proportional der Geschwindig­ keit ist und daher mit der Frequenz, mit welcher der bewegliche Reflektor zwischen den zwei Endstellungen periodisch hin- und herläuft.

Verschiedene Typen von Antriebssystemen werden verwendet, um den beweglichen Reflektor zwischen seinen Endstellungen periodisch hin- und herzubewegen. Bei den optischen Frequenzen, bei welchen ein Interferometer arbeitet, sind die Systemtoleranzen kritisch. Der Reflektor muß mit einer extrem konstanten Geschwindigkeit bewegt werden, eigentlich ohne jede Schwingung. Änderungen in jedem dieser beiden Parametern verursacht, daß das Interferenzmuster aus seiner Mittenfrequenz verschoben wird. Es wird zunehmend schwieriger, ein Antriebssystem zu entwerfen, das diesen Zwängen gerecht wird, wenn die Überstreichlänge, über welche der Reflektor getrieben werden muß, vergrößert wird. Wie schon erwähnt, steigt das Systemauflösevermögen, wenn die Überstreichlänge zunimmt. Der Systemaufbau verlangt daher technisches Ausbalancieren zwischen Geschwindigkeits- und Schwingungs­ höhe einerseits und dem Auflösevermögen andererseits.

Es ist bekannt, daß das Auflösevermögen eines Interfero­ meters verdoppelt werden kann, wenn das Ausgangsstrahlungs­ bündel ein zweites Mal durch das Interferometer zurückge­ leitet wird. Das Einfallstrahlenbündel wird dadurch zweimal moduliert, wobei die Breite der Seitenlappen des Interferenzmusters verdoppelt wird. Diese Zunahme des Auflösevermögens wird ohne Erhöhung des Abstandes, über welchen der bewegliche Reflektor periodisch hin- und herbewegt wird, erhalten und daher ohne die zusätzlichen Kosten und geringeren Toleranzen eines Antriebssystems, das zur Verwirklichung dieser Änderung benötigt wird.

Ein solches Doppeldurchlaßinterferometer ist beschrieben von S. J. Bennett in Optical Communications, Vol. 4, Nr. 6, Seiten 428-430, März 1972. Die einfallende Strahlung trifft auf einen polarisierenden Strahlenspalter, wodurch die reflektierten und durchgelassenen Strahlen orthogonal polarisiert und entlang der separaten optischen Wege fortgepflanzt werden. Eine Viertel-Wellen-Platte wird in jedem optischen Weg in Stellung gebracht. Daher geht jeder Strahl durch eine Viertel-Wellen-Platte hindurch, bevor er von einem der Interferometerspiegel reflektiert wird, und passiert die Viertel-Wellen-Platte ein zweites Mal. Die Polarisationsebene jedes Strahles wird daher um 90° gedreht, bevor er zu dem Strahlenspalter zurückkehrt. Beide Strahlen treten dann aus dem Würfeleckenreflektor aus, wobei der Strahl, der zuerst reflektiert worden ist, jetzt durch den Strahlenspalter hindurchgeht, während der Strahl, der zuerst durchgelassen wurde, jetzt reflektiert wird. Die retro-reflektierten Strahlen, die aus dem Würfeleckenreflektor austreten, werden zu dem Strahlenspalter zurückgeführt, welcher sie ein zweites Mal durch die separaten optischen Wege leitet. Nachdem sie um weitere 90° durch zwei weitere Durchgänge durch die Viertel-Wellen- Platten gedreht worden sind, treffen die beiden Strahlen auf den Strahlenspalter und verlassen das Interferometer parallel zum einfallenden Strahl. Das Interferenzmuster dieser doppelt durchgegangenen Ausgangsstrahlung kann dann nachgewiesen werden.

In dem U.S. Patent 43 34 778 (Pardue et al) ist ein Dual- Oberflächen-Interferometer offenbart, das nach einem ähnlichen Prinzip arbeitet wie das in dem Artikel von Bennett beschriebene. Lichtstrahlen von zwei verschiedenen Frequenzen werden orthogonal polarisiert und durch ein Interferometer geleitet. Die Doppler-Frequenzverschiebung in einem der Strahlen entspricht der Richtung und Geschwindigkeit der relativen Versetzung der entgegengesetzt reflektierenden Oberflächen.

In der US-PS 31 09 049 (Williams) ist ein Interferometer beschrieben, in welchem einfallendes Licht gespalten und zweimal durch zwei optische Wege geleitet wird, bevor die Strahlen rekombiniert werden. Jeder optische Weg enthält ein Paar lichtreflektierende Elemente, die Licht zurück­ reflektieren auf einen Weg, der parallel zum Einfallweg aber dazu verschoben ist.

In der US-PS 34 19 331 sind ein Einstrahl- und ein Doppel­ strahl-Interferometer offenbart. Das Einstrahlinterferometer ist gegenüber Kosinus-Fehler in der Spurverfolgung empfindlich und wird benutzt, um den Abstand zu messen, in dem sich der bewegliche Reflektor bewegt hat. Das Doppelstrahl- Interferometer hat, obwohl gegenüber Kosinus-Fehlern in der Spurverfolgung unempfindlich, die doppelte Empfindlichkeit wie das Einstrahl-Interferometer. Die Vorteile der beiden, dem Einstrahl- und dem Doppelstrahl-Interferometer, werden in einem einzigen optischen Block vereint.

In der US-PS 37 88 746 ist ein optisches Dilatometer offenbart, eine Vorrichtung zur Messung des linearen Ausdehnungskoeffizienten eines Probeblocks. Informationen werden aus dem Interferenzmuster zwischen einem Bezugs­ lichtstrahl und einem Lichtstrahl, der den Abstand zu der Oberfläche, deren Bewegung zu überwachen ist, zweimal durchlaufen hat, erhalten. Bei der offenbarten Anordnung wird kein genau ausgerichteter Ausgangsstrahlenspalter an einem Punkt, an dem das Interferenzmuster gebildet wird, benötigt.

Auch in der US-PS 39 76 379 ist ein Interferometer beschrieben. Die Vorrichtung erzeugt zwei Lichtstrahlen, die entlang eines gemeinsamen Weges so weit wie möglich aufeinander einwirken sollen. Selbst wenn das Interferometer aus irgendwelchen Gründen etwas fehleinge­ stellt ist, werden die Lichtwege daran gehindert, in einer Wegdifferenz geändert zu werden, wodurch stabilisierte Interferenzstreifen erhalten werden.

Die erhöhte Empfindlichkeit und andere Vorteile der Doppeldurchgangsinterferometer machen diese optischen Geräte für die verschiedensten Anwendungszwecke sehr geeignet. Wie aus dem vorstehend geschilderten Stand der Technik zu ersehen, sind jedoch die optischen Systeme, die zur Verwirklichung solcher Interferometer erforderlich sind, relativ kompliziert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Doppeldurch­ gangsinterferometer anzugeben, das wenig optische Elemente erfordert und einfach und wirtschaftlich herstellbar ist. Es soll durch Nachrüsten allgemein verwendeter und vor­ handener Einmaldurchgangsinterferometer gebaut werden können. Es sollte vollen Gebrauch von der maximalen Durchgangsleistung der Interferometer-Geometrie machen.

Ein optisches Interferometer enthält Elemente zum Teilen eines einfallenden Strahlenbündels in einen ersten und einen zweiten Strahl, Mittel zum Fortpflanzen des ersten und des zweiten Strahls durch einen ersten und einen zweiten optischen Weg, Mittel zum Wiedervereinigen des ersten und des zweiten Strahls unter Bildung eines Ausgangsstrahlenbündels, und Mittel zum Nachweisen eines Interferenzmusters in dem Ausgangsstrahlenbündel.

Erfindungsgemäß sind Mittel zum Zurückführen mindestens eines Teils des Ausgangsstrahlenbündels zum Interferometer als ein Einfallstrahlenbündel, und Mittel zum Herausfiltern aus dem Ausgangsstrahlenbündel eines Teils, der mindestens zweimal durch das Interferometer fortgepflanzt worden ist, vorgesehen.

In bevorzugten Ausführungsformen sind die Mittel zum Zurückführen mindestens eines Teils des Ausgangsstrahlen­ bündels zu dem Interferometer ein halbversilberter Spiegel. Die Mittel zum Filtern sind ein optisches Banddurchlaß­ filter. Bei weiteren Ausführungsformen ist das Interfero­ meter ein Doppeldurchgangsinterferometer, bei welchem die Filtermittel aus dem Ausgangsstrahlenbündel einen Teil herausfiltern, der zweimal durch das Interferometer fortgepflanzt worden ist.

Die Erfindung wird nun anhand der Figuren näher beschrieben.

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht der Interferometer-Optik nach der Erfindung.

Fig. 2 ist eine grafische Darstellung, in der die Intensität gegen die Frequenz aufgetragen ist, das Interferenzmuster in dem Ausgangsstrahlenbündel eines Einmaldurchgangsinterferometers veran­ schaulichend.

Fig. 3 ist eine grafische Darstellung, in der die Intensität gegen die Frequenz aufgetragen ist, das Interferenzmuster in dem Ausgangsstrahlenbündel aus dem Interferometer nach der Erfindung ver­ anschaulichend.

Das Doppeldurchgangsinterferometer nach der Erfindung läßt sich leicht aus dem bekannten und allgemein ver­ wendeten Michelson-Interferometer konstruieren. In seiner einfachsten Form, wie in Fig. 1 dargestellt, enthält ein Michelson-Interferometer eine fest gelagerte Reflektor­ oberfläche, wie einen planen Spiegel 10, und eine bewegbar gelagerte Reflektoroberfläche, wie einen bewegbaren Spiegel 12. Wie gezeigt, sind der fest gelagerte Spiegel 10 und der bewegbar gelagerte Spiegel 12 rechtwinklig zueinander in Stellung gebracht. In einem Winkel von 45° zu diesen Spiegeln ist ein Strahlspalter 14 angeordnet. In seiner einfachsten Form ist der Strahlspalter 14 ein Amplituden­ strahlspalter, bestehend aus einem halbversilberten Spiegel. Andere Strahlspaltertypen können ebenfalls verwendet werden.

Ein Strahl einfallender, von einer Quelle, wie einem Laser 16, erzeugter Strahlung wird einem Interferometer zugeführt und trifft auf einen Strahlspalter 14. Der Strahlspalter 14 teilt das Einfallstrahlenbündel in einen ersten und einen zweiten Strahlenteil. Der erste Strahl wird von dem Strahlspalter 14 reflektiert und entlang eines ersten optischen Weges 18 fortgepflanzt. Wenn er sich durch den ersten optischen Weg 18 fortgepflanzt hat, wird der erste Strahl von dem fest gelagerten Spiegel 10 reflektiert und zum Strahlspalter 14 zurückgeleitet. Der zweite Strahl wird durch den Strahlspalter 14 hindurchgelassen und entlang eines zweiten optischen Weges 20 fortgepflanzt. Der zweite Strahl trifft auf den bewegbar gelagerten Spiegel 12, wird von ihm reflektiert und zum Strahlspalter 14 zurückgeleitet.

Der erste und der zweite Teilstrahl, die den ersten bzw. zweiten optischen Weg 18 und 20 durchlaufen haben, sind moduliert worden und beeinflussen sich daher gegenseitig bei ihrer Wiedervereinigung am Strahlspalter 14. Das resultierende Interferogramm 22, das in Fig. 2 gezeigt ist, wird von dem Interferometer entlang eines Ausgangsweges 24 fortgepflanzt und trifft auf einen Detektor 26. Das Interferogramm 22 enthält eine Information, die die Längendifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten optischen Weg 18 und 20 anzeigt. Der Detektor 26 zeigt das Interferogramm 22 an und erzeugt ein elektrisches Signal als eine Funktion davon. Dieses Signal wird dann nach bekannten Techniken verarbeitet.

Der bewegbar gelagerte Spiegel 12 wird durch ein (nicht gezeigtes) Antriebssystem entlang eines Verschiebungsweges 28, der mit dem zweiten optischen Weg 20 kolinear ist, angetrieben. Das Antriebssystem bewegt den Spiegel 12 über den Verschiebungsweg 28 zwischen den Endpunkten x ₀ und x ₁ periodisch hin und her. Diese Endpunkte sind durch einen Abstand d, welcher die Überstreichlänge des Interferometers darstellt, voneinander getrennt. Das Antriebssystem bewegt den bewegbar gelagerten Spiegel 12 mit einer konstanten Geschwindigkeit über den Ver­ schiebungsweg 28 periodisch hin und her. Wie aus Fig. 2 zu ersehen, wird das Interferogramm 22 bei einer Frequenz f ₀ auf die Mitte eingestellt sein. f ₀ ist eine Funktion der Frequenz, mit der der bewegbare Spiegel 12 über den Verschiebungsweg 28 hin- und herbewegt wird. Das Interferogramm 22 schließt auch Seitenstrahlungslappen 30 ein, die voneinander und von der Mittenfrequenz f ₀ durch eine Frequenz f ₁ getrennt sind. Die Größenfrequenz f ₁ ist eine Funktion der Überstreichlänge d. Je größer die Überstreichlänge d ist, um so größer ist im allgemeinen die Frequenz f ₁, durch welche die Seitenlappen 30 getrennt werden, und um so besser ist das Auflösevermögen des Interferometers.

Das Doppeldurchgangsinterferometer nach der Erfindung wird durch Instellungbringen eines Strahlspalters 32 und eines Filters 34 in einen Ausgangsweg 24 zwischen dem Strahlspalter 14 und dem Detektor 26 konstruiert. Der Strahlspalter 32 führt mindestens einen Teil des Ausgangsstrahlenbündels zum Interferometer als Eingangs­ strahlenbündel zurück. Ein übrigbleibender Teil des Ausgangsstrahls wird durch den Strahlspalter 32 hindurchge­ lassen und trifft auf das Filter 34. Das Filter 34 filtert einen Teil aus dem Ausgangsstrahl heraus, welcher sich mindestens zweimal durch das Interferometer fortgepflanzt hat. Bei Verwendung eines Doppeldurchgangs­ interferometers läßt das Filter 34 den Teil des Ausgangs­ strahls durch, der sich zweimal durch das Interferometer fortgepflanzt hat. Dieser zweimal durchgelassene Teil trifft dann auf den Detektor 26.

Bei bevorzugten Ausführungsformen ist der Strahlspalter 32 irgendeiner der üblicherweise verwendeten Amplituden­ strahlspalter, wie ein halbversilberter Spiegel. Der Teil des Ausgangsstrahls, der zum Interferometer zurückgeführt wird, wird durch den Strahlspalter 32 reflektiert und trifft wieder auf den Strahlspalter 14. Der Strahlspalter 14 spaltet diesen zurückgeführten Strahl in einen ersten und einen zweiten Teil, welche wieder durch den ersten und den zweiten optischen Weg 18 und 20 fortgepflanzt werden. Der zurückgeführte Teil des Ausgangsstrahls wird dadurch wieder moduliert, bevor er durch den Strahlspalter 14 wieder vereint und von dem Interferometer als ein Ausgangsstrahlenbündel ausgestrahlt wird.

Fig. 3 ist eine Frequenzbereichsdarstellung eines Ausgangsstrahls, ausgesandt von dem Interferometer nach der vorstehend beschriebenen Erfindung. Zusätzlich zu dem Interferogramm 22 schließt der Ausgangsstrahl Interfero­ gramme bei ganzen Mehrfachen der Mittenfrequenz f ₀ ein. Es sind nur die Interferogramme der ersten und zweiten Mehrfachen gezeigt. Wie zu sehen, ist das Inter­ ferogramm 40 zweiter Ordnung bei einer Frequenz gleich 2 f ₀ mittig eingestellt. Die Intensität seines Mittel- Lappens 42 ist nur 1/4 der Intensität des Mittellappens des Interferogramms 22. Die Seitenlappen 44 des Inter­ ferogramms 40 zweiter Ordnung haben auch proportional geringere Intensität. Da jedoch das Interferogramm 40 zweiter Ordnung zweimal durch das Interferometer moduliert worden ist, sind die Seitenlappen 44 voneinander und von der Mittenfrequenz 2fT0 durch zweimal die Frequenz f ₁, durch welche die Seitenlappen 30 erster Ordnung getrennt wurden, getrennt. Dadurch wird die Auflösung verdoppelt.

Ein Teil des Ausgangsstrahls, wie er in dem Frequenzbereich der Fig. 3 wiedergegeben ist, wird durch den Strahlspalter 32 durchgelassen und trifft auf das Filter 34. In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Filter 34 ein optisches Bandfilter mit einem Durchlaßband, das durch die gestrichelte Linie 46 in Fig. 3 dargestellt ist. Das Durchlaßband ist bei einer Frequenz 2f ₀ mittig eingestellt und hat eine Breite, die ausreicht, das meiste des Interferogramms 40 zweiter Ordnung durchzulassen, während es Interferogramme höherer und niedrigerer Ordnung zurückweist. Bandfilter mit diesen Charakteristiken sind dem Fachmann bekannt. Nachdem das Interferogramm 40 zweiter Ordnung aus dem Ausgangsstrahl herausgefiltert ist, wird es fortgepflanzt und trifft auf den Detektor 26. Auf diese Weise spricht der Detektor 26 nur auf das Interferogramm 40 zweiter Ordnung an.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist klar zu ersehen, daß das Doppeldurchgangsinterferometer nach der Erfindung leicht aus bereits vorhandenen Interferometern konstruiert werden kann. Ein System, das ein Michelson-Interferometer einschließt, kann z.B. durch Instellungbringen des Strahlspalters 32 und des Ordnungssortierfilters 34 in dem Ausgangsweg vor dem Detektor 26 auf einfache Weise umgerüstet werden. Auf diese Weise kann ein Einmaldurchgangs­ interferometer leicht und wirtschaftlich in ein Doppel­ durchgangsinterferometer mit einer höheren Auflösung umgewandelt werden.

Obwohl die Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungs­ formen beschrieben worden ist, wird der Fachmann erkennen, daß Änderungen in der Form und in Einzelheiten daran vorgenommen werden können, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Besonders erwähnt sei, daß, obwohl die Erfindung mit Bezug auf ein Interferometer vom Michelson- Typ beschrieben worden ist, das offenbarte Konzept in gleicher Weise zur Verwendung mit Interferometern anderer Typen ebenso gut geeignet ist.

Claims (8)

1. Optisches Interferometer des Typs mit Mitteln zum Teilen eines Einfallstrahlenbündels in einen ersten und einen zweiten Strahl, Mitteln zum Fortpflanzen des ersten und des zweiten Strahls durch einen ersten und einen zweiten optischen Weg, Mitteln zum Wieder­ vereinen des ersten und des zweiten Strahls unter Bildung eines Ausgangsstrahlenbündels, und Mitteln zum Nachweisen eines Interferenzmusters in dem Ausgangsstrahlenbündel, gekennzeichnet durch Mittel zum Zurückführen mindestens eines Teils des Ausgangs­ strahlenbündels zu dem Interferometer als ein Einfall­ strahlenbündel, und Mittel zum Herausfiltern aus dem Ausgangsstrahlenbündel einen Teil, der mindestens zwei­ mal durch das Interferometer fortgepflanzt worden ist.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Zurückführen mindestens eines Teils des Ausgangsstrahlenbündels zu dem Interferometer ein Amplitudenstrahlspalter (32) ist.

3. Interferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Amplitudenstrahlspalter (32) ein halbversilberter Spiegel ist, der mindestens einen Teil des Ausgangs­ strahlenbündels reflektiert und einen übrigbleibenden Teil fortpflanzt.

4. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Filtern des Ausgangsstrahlenbündels einen Teil herausfiltern, der mindestens zweimal durch das Interferometer fortgepflanzt worden ist.

5. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Filtern aus dem Ausgangsstrahlenbündel einen Teil herausfiltern, der zweimal durch das Interferometer fortgepflanzt worden ist.

6. Vorrichtung zum doppelten Hindurchlassen eines Ausgangs­ strahlenbündels durch ein Interferometer vom Michelson- Typ, gekennzeichnet durch einen Strahlspalter (32) zum Reflektieren eines ersten Teils des Ausgangsstrahlen­ bündels in das Interferometer zurück und zum Fortpflanzen eines zweiten Teiles des Ausgangsstrahlenbündels, und ein Bandfilter (34) zum Filtern aus dem fortgepflanzten zweiten Teil des Ausgangsstrahlenbündels einen Teil, der zweimal durch das Interferometer hindurchgegangen ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlspalter (32) ein halbversilberter Spiegel ist.

8. Verfahren zum Umwandeln eines optischen Interferometers des Typs, bei welchem ein einfallendes Strahlenbündel moduliert wird, entlang eines Ausgangsweges als ein Ausgangsstrahlenbündel fortgepflanzt wird und auf einen Detektor trifft, in ein Doppeldurchgangs-Interferometer, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zum Spalten eines Strahles in dem Ausgangsweg in Stellung gebracht werden und Bandfiltermittel in dem Ausgangsweg zwischen den Mitteln zum Strahlspalten und dem Detektor in Stellung gebracht werden.