DE3918812A1 - Entfernungsmessendes heterodynes interferometer - Google Patents

Description

Für die interferometrische Längenmeßtechnik haben sich hetero­ dyne Meßverfahren als besonders anwendungsfreundlich und ein­ fach gegenüber den klassischen Methoden erwiesen. Die optische Wellenleitertechnik ist eine Technologie, bei welcher in ein Substrat, meist Glas, partiell Salze in die Oberfläche ein­ diffundiert werden, so daß optische Leiterbahnen entstehen mit einem gegenüber dem Substrat unterschiedlichen Brechungsindex. Die optische Leitung in den Leiterbahnen erfolgt aufgrund der Totalreflektion wie in den bekannten Glasfasern. Diese Tech­ nologie hat gegenüber der klassischen Optik und der Lichtlei­ tung durch Glasfasern Vor- und Nachteile, die hauptsächlich durch das Verfahren bestimmt werden.

Vorteile sind in der sehr kleinen Bauweise zu erkennen, in Verbindung mit der Glasfasertechnologie und den sehr kleinen Diodenlasern als Strahlungsquelle. Strahlenteilung, -zusammen­ führung und -mischung lassen sich einfacher ausführen als mit anderen bekannten optischen Methoden. Nachteile treten meist dann auf, wenn der optische Strahlengang aus dem Substrat heraus- oder hineingeführt werden muß und dabei eine Weg­ strecke in Luft durchsetzt. An diesen Übergängen treten in­ folge des kleinen Querschnittes der Leiterbahnen (0,1 mm ty­ pisch) große und unsymmetrische Beugungen auf, die für die interferometrische Anwendung anamorphotische Linsensysteme er­ fordern. Da der interferometrische Strahlengang sich aus Strahlenteilung und -zusammenführung aufbaut, ist er für die optische Wellenleitertechnologie gut geeignet. Klassische In­ terferometer sind in dieser Technologie vorgeschlagen worden zum Messen von Temperaturen und Drücken.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein entfernungs­ messendes heterodynes Interferometer zur Längenmessung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung zu beschreiben.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß es in der Wellenleitertechnik integrierter optischer Schaltkreise aufge­ baut ist und mindestens zwei elektromagnetische Strahlungs­ quellen unterschiedliche Frequenz eingekoppelt, vor der Meß­ strecke gemischt und die gemischten Schwebungsfrequenzen ge­ teilt und getrennt ausgekoppelt werden.

Im folgenden wird anhand der Zeichnung 1 ein Aus­ führungsbeispiel für ein entfernungsmessendes heterodynes In­ terferometer in Wellenleitertechnologie beschrieben.

Es zeigt die Abb. 1 die feste Wellenleiterplatte (1) mit den beiden kohärenten Strahlungsquellen (2 und 3), die in die Leiter (4, 5 und 6) eingekoppelt werden. Die unterschiedlichen Frequenzen f ₁ und f ₂ der Strahlungsquellen werden im Leiter (7) zur Schwebungsfrequenz gemischt und durch den teildurchlässigen Spiegel (8) intensitätsgeteilt, so daß ein kleiner Teil im Wellenleiter (7) auf die Referenz-Fotodiode (10) zurückreflek­ tiert, während der andere Teil ausgekoppelt, das Objektiv (9) durchsetzt, vom Zielprisma (11) reflektiert, vom Objektiv (12) gesammelt und von der Meß-Fotodiode (13) detektiert wird. Die Fotodetektoren (10 und 13) sind in bekannter Weise durch eine Phasenmeßeinrichtung (16) miteinander verbunden.

Die Diodenlaser als Strahlenquellen und die Fotodioden als Detektoren können auch über Glasfaserleitungen in den inte­ grierten optischen Schaltkreis ein- und ausgekoppelt werden.

Eine Auskopplung des Meßstrahles kann auch durch Beugungs­ gitter, welche in dem Schaltkreis integriert sind, erfolgen.

Der Leiterweg (4) führt die Frequenz des Strahlers (2) in ein externes Farby-P´rot Interferometer zur Stabilisierung der Wellenlänge des Diodenlasers (2). Am Ausgang des Fabry-P´rot Interferometers sind zwei Fotodioden (15) in Differential­ schaltung angebracht, die den Interferenzring einfangen und die Frequenz des Diodenlasers durch Steuerung des Injektions­ stromes so regeln, daß die Wellenlänge auf der Meßstrecke konstant bleibt.

Für den Fall, daß die Strahlung die Meßstrecke in Luft durch­ läuft, muß das Fabry-P´rot Interferometer mit Luftabstand aus­ geführt werden, wobei die Abstandsplatten (14) zwischen den Spiegeln aus einem Material bestehen müssen, welches unabhän­ gig ist von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft be­ einflussen.

Der zweite Diodenlaser (3) wird zweckmäßigerweise mit einer konstanten Differenzfrequenz gegenüber dem wellenlängenstabi­ lisierten (2) nachgeführt. Dazu kann ein Quarzoszillator als Referenz verwendet werden, der den Diodenlaser (3) so regelt, daß die Referenzfrequenz des Detektors (10) konstant bleibt.

Der integrierte optische Schaltkreis kann auch so ausgebil­ det werden, daß mehrere Interferometer in mehreren Achsen an­ geordnet werden.

Für die bekannte Entfernungsmeßmethode der ganzzahligen Schwe­ bungswellenlängen über die Meßstrecke kann die Strahlungs­ quelle (3) gegenüber der stabilisierten (2) kontinuierlich in ihrer Frequenz durchgestimmt werden, wobei bei jedem Null­ durchgang des Phasenmessers (16) die Schwebungsfrequenz am Detektor (10 oder 13) gemessen wird. In bekannter Weise wird aus der Frequenzfolge die Entfernung errechnet.

Für die bekannte Entfernungsmeßmethode mit gestuften Schwe­ bungswellenlängen können mehrere Strahlungsquellen in zeitli­ cher Reihenfolge in den Leiter (6) eingekoppelt werden.

Es zeigt die Abb. 2 das entfernungsmessende heterodyne Interferometer der Abb. 1 in modifizierter Ausführung der Wellenleiterplatte (1). Der Diodenlaser (3) aus Abb. 1 ist in drei einzelne Diodenlaser (3 a, 3 b, 3 c) mit je einer zu den anderen Strahlungsquellen unterschiedlichen Fre­ quenz aufgeteilt. Die Diodenlaser werden in zeitlicher Reihen­ folge eingeschaltet und erzeugen durch Mischung mit der Fre­ quenz des Diodenlasers (2) im Leiter (7) Schwebungsfrequenzen, die durch die Leiter (7 a und 7 b) intensitätsgeteilt werden. Der Leiter (7 b) führt zum Referenzfotodetektor (10) der Lei­ ter (7 a) durch das Objektiv (9) auf die Meßstrecke. Referenz­ fotodetektor (10) und Meßfotodetektor (13) sind über die Pha­ senmeßeinrichtung (16) miteinander verbunden, in bekannter Weise wird aus den Phasenmessungen der gestuften Schwebungs­ frequenzen die Entfernung errechnet.

Die Einrichtung zur Stabilisierung der Wellenlänge (14) ist nur andeutungsweise dargestellt und der Abb. 1 zu entneh­ men.

Der technische Fortschritt eines heterodynen Interferometers in Wellenleitertechnik ist vielfältig:

Durch Verwendung von zwei oder mehreren getrennten Strahlungs­ quellen kann die Differenzfrequenz innerhalb eines breiten Spektralbereiches beliebig eingestellt oder durchgestimmt wer­ den. Bei bekannten heterodynen Interferometern mit Gaslasern sind die Voraussetzungen von den Resonatordaten des Lasers ab­ hängig und können nur wenig beeinflußt werden.

Durch die Verwendung integrierter optischer Wellenleiter ist die Mischung von Frequenzen zu Schwebungsfrequenzen sehr ein­ fach und erfordert keine spezifischen Eigenschaften der Strah­ lungsquellen, wie das bei bekannten heterodynen Interferome­ tern der Fall ist, bei denen vorausgesetzt wird, daß die ein­ zelnen Frequenzen (Moden) unterschiedliche optische Eigen­ schaften, wie zum Beispiel lineare Polarisation mit orthogo­ naler Ausrichtung haben. Solche Voraussetzungen können mit dem Diodenlaser nicht verwirklicht werden, anderseits ist es durch seine Kleinheit die bevorzugte Strahlungsquelle für integrier­ te optische Wellenleiter, wodurch sich Interferometer verwirk­ lichen lassen von einigen Zentimetern Kantenlänge.

Claims (2)

1. Entfernungsmessendes heterodynes Interferometer zur Längen­ messung mittels kohärenter elektromagnetischer Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß es in der Wellenleitertechnik integrierter optischer Schaltkreise aufgebaut ist und min­ destens zwei elektromagnetische Strahlungsquellen unter­ schiedlicher Frequenz eingekoppelt, vor der Meßstrecke gemischt und die gemischten Schwebungsfrequenzen geteilt und getrennt ausgekoppelt werden.

2. Heterodynes Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorhanden sind, die die Wellenlänge oder Frequenz mindestens einer kohärenten Strahlungsquelle stabilisieren.