DE4125485A1 - Optical laser sensor for measuring very small deflections - has mirrored sensor surface to frequency shift or modulate solid state laser signal coherently, superimposed with reference laser signal - Google Patents

Abstract

The sensor surface is either statically coupled with a laser-mirror (39) or functions as a laser-mirror. Sensor surface deviations produce a frequency or modulation shift of the solid state laser (34), so that the mechanical deviations produce a direct frequency modulation of a sensor laser (322). The proportionately frequency shifted or modulated laser signal is coherently optically superimposed with a refernce laser (321) signal so that the difference frequency or its modulation is proportional to the sensor deflection. USE/ADVANTAGE - For measuring very small deviations in pressure, acceleration. High accuracy, large bandwidth and wide dynamic response.

Description

Die Messung von Längen bzw. Längenänderungen stellt eine Grundaufgabe der physikalischen Meßtechnik dar. Zusätz­ lich zur unmittelbaren Längenmessung lassen sich sehr viele physikalische Meßprobleme durch einen entsprechend ange­ paßten Aufnehmer auf die Messung kleiner Auslenkungen redu­ zieren. Dazu gehören unter anderem die Messung von Druck, Beschleunigung, Kraft, Vibration und Neigung. Auch Größen wie elektrische und mechanische Feldstärke sowie Ladung können durch z. B. kondensatorähnliche Anordnungen in Längen­ änderungen umgesetzt werden; durch geeignete Anordnungen auch magnetische Feldstärke.The measurement of lengths or changes in length represents one Basic task of physical measurement technology. Supplement Many can be used for direct length measurement physical measurement problems caused by a corresponding fitted transducers to measure small deflections adorn. These include measuring pressure, Acceleration, power, vibration and inclination. Sizes too such as electrical and mechanical field strength and charge can by z. B. capacitor-like arrangements in lengths changes are implemented; through appropriate arrangements also magnetic field strength.

Nach dem Stand der Technik werden Längenänderungen üb­ licherweise durch geeignete Wandler auf piezoresistiver, piezoelektrischer, kapazitiver oder induktiver Basis in elektrische Signale übertragen. Insbesondere die beiden erstgenannten Verfahren weisen meist eine große Temperatur­ empfindlichkeit auf, die die erzielbare Genauigkeit we­ sentlich beschränkt. Kapazitive Verfahren sind in Dynamik­ umfang und Auflösung insbesondere dadurch beschränkt, daß die an einem Kondensator auftretenden Ladungen ihrerseits wieder Kräfte zwischen den Kondensatorplatten bewirken können, welche eine scheinbare Auslenkung vortäuschen. Ferner weisen induktive und piezoelektrische Verfahren i.A. eine Hysterese auf, welche ebenfalls prinzipbedingt das Auflösungsvermögen beschränkt.According to the prior art, changes in length are practiced licher by suitable transducers on piezoresistive, piezoelectric, capacitive or inductive base in transmit electrical signals. Especially the two the former methods usually have a high temperature sensitivity that we can achieve the achievable accuracy considerably limited. Capacitive processes are dynamic scope and resolution limited in particular that the charges that appear on a capacitor again cause forces between the capacitor plates which can simulate an apparent deflection. Furthermore, inductive and piezoelectric processes i.A. a hysteresis, which also depends on the principle the resolution is limited.

Bei hohen Anforderungen an die Genauigkeit werden auch interferometrische Meßverfahren in Kombination mit einer entsprechend angepaßten elektronischen Auswertung benutzt. Diese Verfahren arbeiten jedoch zumeist inkremental und sind aufgrund elementaroptischer Gegebenheiten durch die Wellenlänge der verwendeten Strahlung in ihrem Auf­ lösungsvermögen begrenzt.With high demands on accuracy, too interferometric measuring method in combination with a  appropriately adapted electronic evaluation used. However, these methods mostly work incrementally and are due to elementary optics by Wavelength of the radiation used in its up limited solvency.

Typische Druckaufnehmer in mikromechanischer oder auch konventioneller Bauweise bestehen aus einer Membranan­ ordnung, deren druckbedingte Auslenkung meist piezo­ resistiv oder auch kapazitiv gemessen wird. Bei Be­ schleunigungssensoren wird üblicherweise ein Masse-Feder System verwendet, bei dem wiederum die Auslenkung der seis­ mischen Masse piezoresistiv, piezoelektrisch oder kapazitiv gemessen wird. Vor allem bei Navigationsaufgaben werden von Beschleunigungssensoren Genauigkeiten gefordert, die mit den erwähnten Prinzipien nur schwer erzielbar sind.Typical pressure transducers in micromechanical or also conventional construction consist of a membrane order, the pressure-related deflection mostly piezo is measured resistively or capacitively. At Be Accelerometers are usually mass springs System used, in turn, the deflection of the seis mix mass piezoresistive, piezoelectric or capacitive is measured. Especially when it comes to navigation tasks Accelerometers required accuracies that are difficult to achieve with the principles mentioned.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Meßverfahren aufzuzeigen, welches mit Hilfe einer laseroptischen Anord­ nung gestattet, kleine und kleinste Auslenkungen im Be­ reich von wenigen Mikrometer bis hinab zu Nanometer und darunter mit extremer Genauigkeit sowie hoher Bandbreite und großem Dynamikumfang zu registrieren.The object of the present invention is a measuring method to show which with the help of a laser-optical arrangement allowed, small and smallest deflections in the loading ranging from a few micrometers down to nanometers and including with extreme accuracy and high bandwidth and large dynamic range.

Als Grundeffekt soll die starke Abhängigkeit der Frequenz eines diodengepumpten Festkörperlasers von der Resonator­ länge genutzt werden. Dabei wird eine Anordnung vorge­ schlagen, die es gestattet, durch Nutzung geeigneter Mikro­ technologien auf seiten des Lasers wie auch des Meßauf­ nehmers und der Auswerteelektronik zu einer äußerst kom­ pakten Bauform zu gelangen. Zumindest längerfristig er­ scheint es damit auch möglich, zu einer, gemessen an der erzielbaren Genauigkeit, relativ preiswerten Lösung zu gelangen. The basic effect is the strong dependence of the frequency a diode pumped solid state laser from the resonator length can be used. An arrangement is featured beat that allowed by using appropriate micro technologies on the side of the laser as well as of the measurement and the evaluation electronics to an extremely com compact design. At least in the long run it also seems to be possible, based on the achievable accuracy, relatively inexpensive solution too reach.  

Die Lösung der Aufgabe erfolgt mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.The problem is solved with the in the characteristic Features specified in claim 1; beneficial Refinements are described in the subclaims.

In jüngster Vergangenheit sind äußerst kompakte Einfrequenz­ laser bekanntgeworden, bei denen Festkörper-Lasermaterialien mittels Halbleiter-Laserdioden optisch gepumpt werden. Diese Laser emittieren Strahlung sehr geringer Linienbreite in hochstabiler Weise. Aufgrund ihrer hohen Stabilität sind Änderungen der Laserfrequenz durch äußere Einwir­ kungen wie z. B. durch Änderung der Resonatorlänge oder der Temperatur mit hoher Genauigkeit meßbar.In the recent past there have been extremely compact single frequencies lasers have become known in which solid-state laser materials can be optically pumped by means of semiconductor laser diodes. These lasers emit radiation with a very narrow line width in a highly stable manner. Because of their high stability are changes in the laser frequency due to external influences kungen such. B. by changing the resonator length or the temperature can be measured with high accuracy.

Das Grundkonzept des Meßverfahrens beruht auf der Verwendung solcher sehr einfach aufgebauter sog. Single-Frequency- Laser, bei denen ein Resonatorspiegel des Lasers mit einem aufgabenspezifischen Meßwandler gekoppelt ist und so eine Auslenkung des Wandlers zu einer Verschiebung der Laser­ frequenz führt.The basic concept of the measuring method is based on the use such a very simply structured so-called single frequency Lasers, in which a resonator mirror of the laser with a task-specific transducer is coupled and so a Deflection of the transducer to shift the laser frequency leads.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigtIn the following, the invention will be described with reference to the drawing explained. It shows

Fig. 1 eine schematische Darstellung des grundsätzlichen Aufbaus einer Anordnung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; Figure 1 is a schematic representation of the basic structure of an arrangement for performing the inventive method.

Fig. 2 eine grafische Darstellung der Laser-Moden; Fig. 2 is a graphical representation of laser modes;

Fig. 3a, 3b schematische Darstellungen zweier weiterer Aufbauten mit Temperaturkompensation; Fig. 3a, 3b are schematic representations of two other structures with temperature compensation;

Fig. 4 eine Anwendung des Aufbaus für die Druckmessung und Fig. 4 shows an application of the structure for pressure measurement and

Fig. 5a, 5b eine Anwendung des Aufbaus zur Beschleunigungs­ messung. Fig. 5a, 5b measurement an application of the structure to the acceleration.

Laserdiodengepumpte Festkörperlaser bestehen zumeist aus einer Laserdiode 1, welche über eine Ankoppeloptik 2 ein Festkörper-Lasermaterial 3 optisch pumpt, so daß dieses, in einen entsprechenden Resonator eingebracht, Laser­ strahlung einer Frequenz _-1 emittiert, welche meist länger­ welliger ist als die Pumpwellenlänge _-0. Neben der Trans­ formation der Wellenlänge tritt weiterhin eine Erhöhung der räumlichen Strahldichte dadurch auf, daß die Geometrie der Laserstrahlung des Festkörperlasers allein durch dessen Resonatorgeometrie bestimmt ist, wohingegen die Strahlung der Laserdiode aufgrund ihrer inhärenten Struktur beugungs­ begrenzt ist und somit eine geringe Strahldichte aufweist. Insbesondere aber tritt bei geeigneter Formung des Fest­ körperlasers eine Erhöhung der spektralen Strahldichte um viele Größenordnungen auf, so daß geeignet geformte Festkörperlaser eine sehr geringe Laserlinienbreite aufwei­ sen können.Laser diode-pumped solid-state lasers usually consist of a laser diode 1 , which optically pumps a solid-state laser material 3 via a coupling optic 2 , so that this, when introduced into a corresponding resonator, emits laser radiation of a frequency _-1 , which is usually longer than the pump wavelength _-0 . In addition to the trans formation of the wavelength, an increase in the spatial radiance also occurs in that the geometry of the laser radiation of the solid-state laser is determined solely by its resonator geometry, whereas the radiation of the laser diode is diffraction-limited due to its inherent structure and thus has a low radiance. In particular, however, with an appropriate shaping of the solid-state laser, an increase in the spectral radiance by many orders of magnitude occurs, so that suitably shaped solid-state lasers can have a very small laser line width.

Eine Verschiebung der Laserlinie kann insbesondere durch Temperaturänderung des Festkörperlasermaterials bzw. durch Längenänderung des Resonators erfolgen. Je nach Resonator­ länge und Ausformung ergeben sich spezifische Abhängig­ keiten der Laserfrequenz von der Resonatorlänge, so daß eine Änderung von 1 µm bei einem Festkörperlaserresonator von ca. 8 mm Länge, welcher geeignet temperaturstabili­ siert oder -kompensiert ist, eine Laserlinienverschiebung von ca. 30 GHz hervorruft. Je nach Festkörperlasermaterial kann eine maximale Verschiebung in der Größenordnung von etwa der halben Verstärkungsbandbreite erfolgen, welche, abhängig vom jeweils verwendeten Lasermaterial, zwischen 100 und 300 GHz liegen kann.A shift of the laser line can be caused in particular by Temperature change of the solid-state laser material or by Change in length of the resonator. Depending on the resonator length and shape result in specific dependencies the laser frequency of the resonator length, so that a change of 1 µm in a solid-state laser resonator of approx. 8 mm in length, which is suitable for temperature stability is compensated or compensated, a laser line shift of about 30 GHz. Depending on the solid-state laser material can have a maximum displacement on the order of about half the gain bandwidth, which depending on the laser material used, between 100 and 300 GHz can be.

Ein Festkörperlaser mit 8 mm Resonatorlänge muß nahe der Laserschwelle mit sehr geringer Ausgangsleistung betrieben werden, um das Anschwingen höherer longitudinaler Moden (Fig. 2a) zu verhindern. Bei Verwendung sehr kurzer Resona­ toren mit Längen von weniger als 1 mm ist es hingegen möglich, den Abstand der longitudinalen Resonatormoden so zu ver­ größern, daß lediglich eine einzige noch in der Verstärkungs­ bandbreite des Lasermediums liegt (s. Fig. 2b). Derartige Laser emittieren bei verhältnismäßig hoher Leistung stabil im Einfrequenzbetrieb und reagieren sehr empfindlich auf Resonatorlängenänderungen. Eine Längenänderung von 0,5 Um würde z. B. bereits eine Linienverschiebung von bis zu 150 GHz bewirken. Allerdings ist der Dynamikbereich solcher Laser geringer als bei größeren Resonatorlängen.A solid-state laser with an 8 mm resonator length must be operated near the laser threshold with a very low output power in order to prevent the oscillation of higher longitudinal modes ( FIG. 2a). When using very short resonators with lengths of less than 1 mm, on the other hand, it is possible to enlarge the distance between the longitudinal resonator modes so that only a single bandwidth is still in the gain of the laser medium (see FIG. 2b). Such lasers emit stable at relatively high power in single-frequency operation and are very sensitive to changes in resonator length. A change in length of 0.5 um would e.g. B. already cause a line shift of up to 150 GHz. However, the dynamic range of such lasers is smaller than with larger resonator lengths.

Der Grundaufbau des Festkörperlasers besteht aus einer Laserdiode 1 und einer Ankoppeloptik 2, mit deren Hilfe ein Festkörperlasermaterial 3 optisch angeregt wird. Dieser Laserkristall wird an der Stirnfläche 5 derart bedampft, daß eine hochreflektierende Spiegelschicht für die Laser­ wellenlänge und hochtransmittierende Spiegelschicht für die Pumpwellenlänge entsteht. Erfindungsgemäß wird die Austrittsfläche 6 des Kristalls antireflektierend für die Laserwellenlänge ausgeführt. Statt dessen wird gegenüber der Fläche 6 eine Fläche 7 z. B. auf einem Glassubstrat 8 positioniert, welche ihrerseits teilreflektierend für die Laserwellenlänge bedampft ist. Diese Anordnung bildet einen sogenannten diodengepumpten halbmonolithischen Fest­ körperlaser, welcher, im Einfrequenzbetrieb arbeitend, Laserstrahlung 9 einer Laserfrequenz ν₁ emittiert. Diese Frequenz zeigt nun eine starke Abhängigkeit von der Längen­ änderung des Resonators.The basic structure of the solid-state laser consists of a laser diode 1 and a coupling optics 2 , with the aid of which a solid-state laser material 3 is optically excited. This laser crystal is vaporized on the end face 5 such that a highly reflective mirror layer for the laser wavelength and highly transmissive mirror layer for the pump wavelength is formed. According to the invention, the exit surface 6 of the crystal is designed to be anti-reflective for the laser wavelength. Instead, a surface 7 is such relative to the surface. 6 B. positioned on a glass substrate 8 , which in turn is partially reflective vaporized for the laser wavelength. This arrangement forms a so-called diode-pumped semi-monolithic solid-state laser, which, working in single-frequency operation, emits laser radiation 9 of a laser frequency ν₁. This frequency now shows a strong dependence on the change in length of the resonator.

Diese Abhängigkeit wird erfindungsgemäß dadurch genutzt, daß der Laserspiegel 7, 8 starr mit einem Meßwandler 13, der für die gewünschte Meßgröße (z. B. Druck oder Be­ schleunigung) empfindlich ist, verbunden wird, so daß dieser relativ gegen den Laserkristall 3 ausgelenkt werden kann. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Wandler durch geeignete Beschichtung selbst als Laserspiegel zu verwen­ den.This dependency is used according to the invention in that the laser mirror 7 , 8 is rigidly connected to a transducer 13 , which is sensitive to the desired measured variable (e.g. pressure or acceleration), so that it is deflected relative to the laser crystal 3 can. Another option is to use the converter itself as a laser mirror by means of a suitable coating.

Eine weitere Möglichkeit der Strahlführung besteht darin, daß die Spiegelfläche 5 teilreflektierend für die Laser­ wellenlänge und hochtransmittierend für die Pumpwellenlänge, Fläche 7 hingegen hochreflektierend für die Laserwellen­ länge ausgeführt wird. In dieser Anordnung wird die Laser­ strahlung in entgegengesetzter Richtung emittiert, wie es in vielen Anwendungen von Vorteil sein kann.Another possibility of beam guidance is that the mirror surface 5 is partially reflective for the laser wavelength and highly transmissive for the pump wavelength, surface 7, however, is highly reflective for the laser wavelength. In this arrangement, the laser radiation is emitted in the opposite direction, as can be advantageous in many applications.

Überlagert man das derart frequenzmodulierte Lasersignal mit einem unmodulierten Referenzlasersignal mit ähnlicher Frequenz, etwa in einer Glasfaserweiche 15, so erhält man am Ausgang 12 einer am Glasfaserende angebrachten herkömm­ lichen Photodiode 11 ein elektrisches Hochfrequenzsignal, welches der Differenzfrequenz der beiden Laserfrequenzen proportional ist. Durch geeignete Frequenzdemodulation ist es somit möglich, die Differenzfrequenz der beiden Lasersignale direkt weiter auszuwerten. Insbesondere ist die Differenzfrequenz proportional der Auslenkung des Laser­ spiegels, so daß mit sehr hoher Auflösung und sehr hohem Dynamikbereich sehr kleine Längenänderungen der Resonator­ länge erfaßt werden können. Eine Auslenkung von beispiels­ weise 0,1 Um resultiert in einer Frequenzänderung von 3 bzw. 30 GHz für 8 bzw. 0,8 mm Resonatorlänge.If one superimposes the frequency-modulated laser signal with an unmodulated reference laser signal of a similar frequency, for example in a glass fiber switch 15 , an electrical high-frequency signal is obtained at the output 12 of a conventional photodiode 11 attached to the glass fiber end, which is proportional to the difference frequency of the two laser frequencies. Suitable frequency demodulation makes it possible to directly further evaluate the difference frequency of the two laser signals. In particular, the difference frequency is proportional to the deflection of the laser mirror, so that very small changes in length of the resonator length can be detected with a very high resolution and very high dynamic range. A deflection of 0.1 µm, for example, results in a frequency change of 3 or 30 GHz for 8 or 0.8 mm resonator length.

Durch geeignete Filterung des elektrischen Signals ist es weiterhin möglich, die Bandbreite des detektierten Signals so auszufiltern, daß dynamische Effekte und statische Effekte bzw. unerwünschte und gewünschte dynamische Effekte getrennt werden können.By filtering the electrical signal appropriately it is also possible to change the bandwidth of the detected signal filter so that dynamic effects and static effects or unwanted and desired dynamic effects separately can be.

Ein erweiterter Meßbereich kann elektronisch u. a. dadurch erreicht werden, daß die Anzahl der Modensprünge des Lasers registriert werden.An extended measuring range can be electronically and. a. thereby achieved that the number of mode jumps of the laser  be registered.

Ein wesentliches Problem der Anordnung nach Fig. 1 stellt die relativ hohe Temperaturempfindlichkeit der Laserwellen­ länge dar. Zur Temperaturkompensation ist ein Aufbau gemäß Fig. 3a mit einer Referenzstrahlanordnung besonders geeignet. Hierbei pumpt eine Laserdiode 31 über eine Transferoptik 32a-c und eine Glasfaserweiche 33 ein Festkörperlasermate­ rial 34 an zwei Stellen 35 und 36; dem Festkörperlaser­ material, welches einseitig (Fläche 37) hochtransmittierend für die Pumpwellenlänge und teilreflektierend für die Laser­ wellenlänge bedampft und anderseitig (Fläche 38) anti­ reflektierend für die Laserwellenlänge bedampft ist, wird ein beweglich mit einer Wandlerfläche 320 verbundener Spie­ gel 39 mit hochreflektierender Schicht 310 sowie ein starr aufgehängter Resonatorspiegel 311 mit gleicher Beschichtung 312 gegenübergesetzt. Während die Laserfrequenz ν₁ durch Auslenkung der Wandlerfläche 320 frequenzmoduliert wird, dem eine Verschiebung der Laserwellenlänge mit der Tempe­ ratur zusätzlich aufmoduliert ist, wird die Laserfrequenz ν₂ lediglich durch den Temperatureffekt moduliert.A major problem of the arrangement according to FIG. 1 is the relatively high temperature sensitivity of the laser wave length. A structure according to FIG. 3a with a reference beam arrangement is particularly suitable for temperature compensation. Here, a laser diode 31 pumps a transfer optics 32 a-c and a glass fiber switch 33 a solid-state laser material 34 at two locations 35 and 36 ; the solid-state laser material, which is vapor-deposited on one side (surface 37 ) for the pump wavelength and partially reflective for the laser wavelength and vapor-coated on the other side (surface 38 ) is anti-reflective for the laser wavelength, a mirror 39 movably connected to a transducer surface 320 with highly reflective layer 310 and a rigidly suspended resonator mirror 311 with the same coating 312 opposite. While the laser frequency ν₁ is frequency modulated by deflection of the transducer surface 320 , the temperature of a shift in the laser wavelength is additionally modulated, the laser frequency ν₂ is only modulated by the temperature effect.

Nach kohärenter Überlagerung (Heterodyn-Verfahren) in der Glasfaserweiche 33 steht als Differenzfrequenz am Ausgang der Photodiode 313 die durch die Wandlerfläche frequenz­ modulierte Differenzfrequenz zur Verfügung. Der Tempera­ tureffekt wird dadurch kompensiert, daß der Referenzlaser­ strahl 321 dieselbe Temperaturmodulation wie der Sensor­ laserstrahl 322 erfährt.After a coherent superposition (heterodyne method) in the glass fiber switch 33 , the difference frequency frequency-modulated by the transducer surface is available as the difference frequency at the output of the photodiode 313 . The temperature effect is compensated for in that the reference laser beam 321 experiences the same temperature modulation as the sensor laser beam 322 .

Eine Erweiterung des oben beschriebenen Verfahrens kann dadurch erreicht werden, daß mit einer geeigneten Kompensa­ tionskraft der Auslenkung des mit dem Wandler verbundenen Spiegels 39 entgegengewirkt wird und somit die Resonator­ länge immer konstant gehalten wird. Diese Kompensations­ kraft kann durch eine geeignete Anordnung u.A. auf elektro­ statischer, magnetischer oder piezoelektrischer Basis er­ bracht werden. Das zur Kompensation aufzubringende Steuer­ signal kann als Meßsignal ausgewertet werden. Durch diese "Fesselung" werden Nichtlinearitäten des Wandlers eliminiert.An extension of the method described above can be achieved in that the deflection of the mirror 39 connected to the transducer is counteracted with a suitable compensating force and thus the resonator length is always kept constant. This compensation force can be brought through a suitable arrangement, inter alia, on an electrostatic, magnetic or piezoelectric basis. The control signal to be applied for compensation can be evaluated as a measurement signal. This "capturing" eliminates nonlinearities in the converter.

In ähnlicher Weise kann auch der Referenzresonator durch aktive Betätigung des Spiegels 311 nachgeführt werden, so daß die Differenzfrequenz zwischen Meßstrahl und Referenz­ strahl konstant gehalten wird. Eine solche Anordnung ist in Fig. 3b dargestellt. Als Beispiel ist hier zwischen Spiegel und Laserkristall ein elektrostriktives (piezo­ resistives) Medium 314 eingebracht (z. B. PVDF-Folie). Eine Regelschleife 316 regelt z. B. die Spannung am elektro­ striktiven Material immer so, daß am Ausgang der Detektor­ diode die Differenzfrequenz immer gleich Null bzw. gleich einem konstanten Wert gehalten wird. Die Höhe der am elektro­ striktiven Medium anliegenden Spannung gibt ein genaues Maß dafür, wieweit der Referenzlaser in seiner Resonator­ länge nachgeführt werden muß, um der Modulation des Sensor­ lasers in der Frequenz gleichzukommen und damit ein direktes Informationssignal über die Auslenkung des Sensors. Am Ausgang 317 des Reglers 316 kann so ein Signal entnommen werden, welches der Auslenkung des Sensors 320 proportional ist. Auf diese Weise ist auch eine Erweiterung des Meßbe­ reiches möglich.In a similar way, the reference resonator can also be tracked by actively actuating the mirror 311 , so that the difference frequency between the measuring beam and the reference beam is kept constant. Such an arrangement is shown in Fig. 3b. As an example, an electrostrictive (piezo resistive) medium 314 is inserted between the mirror and the laser crystal (e.g. PVDF film). A control loop 316 controls e.g. B. the voltage on the electro-strictive material always so that the differential frequency is always kept equal to zero or equal to a constant value at the output of the detector diode. The amount of voltage applied to the electrostrictive medium gives a precise measure of how far the reference laser must be tracked in its resonator in order to match the modulation of the sensor laser in frequency and thus a direct information signal about the deflection of the sensor. At the output 317 of the controller 316 , a signal can be extracted which is proportional to the deflection of the sensor 320 . In this way, an extension of the measuring range is possible.

Der Pumplaser und die Glasfaserweiche können auch örtlich getrennt werden vom Sensorkopf, wobei in diesem Falle die Pumplichtstrahlung durch eine geeignete Optik direkt einge­ strahlt werden kann (z. B. durch Vakuum oder Luft). In diesem Falle kann der Sensorkopf bis zu einigen Metern Entfernung vom Pumplichtlaser aufgestellt werden. Bei Messungen im Vakuum, in elektromagnetisch belasteten Regionen oder in Bereichen hoher Temperatur kann dies von Vorteil sein. The pump laser and the fiber optic switch can also be local be separated from the sensor head, in which case the Pump light radiation directly switched on by suitable optics can be blasted (e.g. by vacuum or air). In this The sensor head can trap up to a few meters away be set up by the pump light laser. For measurements in Vacuum, in electromagnetically loaded regions or in This can be beneficial in high temperature areas.  

Sehr viele physikalische Meßaufgaben lassen sich durch einen geeigneten Aufnehmer transformieren in ein Problem der Messung kleiner Auslenkungen. Die vorgeschlagene An­ ordnung ermöglicht es, das so transformierte Meßproblem hochpräzise aufzunehmen und in kompakter und einfacher Bauweise so aufzubereiten, daß am Ausgang der Anordnung ein geeignetes elektrisches Ausgangssignal zur weiteren Registrierung zur Verfügung gestellt werden kann.Many physical measurement tasks can be carried out transform a suitable transducer into a problem measuring small deflections. The proposed An order enables the measurement problem transformed in this way to record with high precision and in a compact and simple way Prepare construction so that at the exit of the arrangement a suitable electrical output signal for further Registration can be made available.

Für die Einkopplung der zu messenden Größe bestehen zwei prinzipielle Möglichkeiten: Einerseits kann der verstell­ bare Resonatorspiegel ein selbständiges Bauelement sein, das mit dem Meßwandler mechanisch gekoppelt wird. Die andere Möglichkeit besteht darin, den Wandler so auszuführen, daß der Spiegel integraler Bestandteil desselben ist. Diese Möglichkeit bietet sich vornehmlich für die Ausführung von mikromechanischen Wandlern an. Im folgenden sollen einige meßaufgabenspezifische Beispiele aufgezeigt werden.There are two for coupling the quantity to be measured Basic options: On the one hand, the adjust bare resonator mirrors are an independent component, which is mechanically coupled to the transducer. The other Possibility is to design the converter so that the mirror is an integral part of it. These The main possibility is for the execution of micromechanical transducers. In the following should some examples specific to measuring tasks are shown.

Das vorgeschlagene Verfahren kann zur Messung von Druck benutzt werden, wenn der verstellbare Resonatorspiegel mit einer druckempfindlichen Membran gekoppelt wird. Ein Beispiel hierzu zeigt Fig. 4. Eine dünne Membran wird durch geeignete Oberflächenbeschichtung verspiegelt. Bei Aus­ legung als Absolutdrucksensor wird eine Seite der Membran 330 verkapselt und evakuiert, während auf der anderen Seite der Meßdruck einwirkt. Die druckbedingte Auslenkung der Membran wird mit der vorgeschlagenen Anordnung gemessen. Diese Membran kann mit den üblichen Methoden der Mikro­ mechanik aus einkristallinem Silizium hergestellt werden. Zum Zweck der Temperaturkompensation bietet sich an, eine Referenzresonatorstrecke mit einem zweiten Spiegel 39′ auf demselben Siliziumsubstrat anzuordnen. Thermische Einflüsse betreffen beide Resonatorstrecken in weitgehend gleicher Weise. The proposed method can be used to measure pressure if the adjustable resonator mirror is coupled to a pressure-sensitive membrane. An example of this is shown in FIG. 4. A thin membrane is mirrored by a suitable surface coating. When designed as an absolute pressure sensor, one side of the membrane 330 is encapsulated and evacuated, while the measuring pressure acts on the other side. The pressure-related deflection of the membrane is measured with the proposed arrangement. This membrane can be produced from monocrystalline silicon using the usual methods of micro mechanics. For the purpose of temperature compensation, it is advisable to arrange a reference resonator section with a second mirror 39 'on the same silicon substrate. Thermal influences affect both resonator sections in largely the same way.

Zur Verwendung der Anordnung als Beschleunigungssensor wird der Resonatorspiegel auf einer seismischen Masse aufge­ bracht, die über Biegebalken federnd gelagert ist. Dazu eignet sich z. B. die aus Patentschrift DE 36 25 411 bekannte Anordnung für einen kapazitiven Beschleunigungssensor (s. Fig. 5). Analog zur Ausführung des Drucksensors kann auch in diesem Fall eine zweite Resonatorstrecke zur Temperatur­ kompensation auf dem gleichen Kristall aufgebracht werden. Der gewünschte Meßbereich und Bandbreite können durch die Biegesteifigkeit der Federelemente bestimmt werden.To use the arrangement as an acceleration sensor, the resonator mirror is brought up on a seismic mass which is resiliently mounted on bending beams. For this, z. B. the arrangement known from patent DE 36 25 411 for a capacitive acceleration sensor (see FIG. 5). Analogous to the design of the pressure sensor, a second resonator section for temperature compensation can also be applied to the same crystal in this case. The desired measuring range and bandwidth can be determined by the bending stiffness of the spring elements.

Am Beispiel des Beschleunigungssensors läßt sich das oben erwähnte Kraftkompensationsprinzip gut verwirklichen. Die Masse kann durch zwei Gegenelektroden elektrostatisch in ihrem Nullpunkt gefesselt werden. Die dazu benötigte Span­ nung stellt dann das Meßsignal dar.This can be seen above using the example of the acceleration sensor implement the force compensation principle mentioned well. The Mass can be electrostatically induced by two counter electrodes be tied to their zero point. The chip required for this voltage then represents the measurement signal.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung kleinster Auslenkungen mittels Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslenkung einer Sensorfläche, welche statisch mit einem Laserspiegel gekoppelt bzw. als Laserspiegel ausgeformt und beschichtet ist, zu einer Frequenzverschiebung oder -modulation eines Festkörperlasers führt, so daß die mechanische Auslenkung des Sensors zu einer direkten Frequenzmodula­ tion eines Sensorlasers führt.1. A method for measuring the smallest deflections by means of laser beams, characterized in that the deflection of a sensor surface, which is statically coupled to a laser mirror or is shaped and coated as a laser mirror, leads to a frequency shift or modulation of a solid-state laser, so that the mechanical deflection of the Sensor leads to a direct frequency modulation of a sensor laser. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das proportional zur Auslenkung eines Sensors frequenz­ verschoben oder -modulierte Lasersignal mit einem Refe­ renzlasersignal kohärent optisch überlagert wird, so daß die Differenzfrequenz bzw. deren Modulation propor­ tional der Sensorauslenkung ist.2. The method according to claim 1, characterized in that that is proportional to the deflection of a sensor frequency shifted or modulated laser signal with a refe renzlasersignal is coherently optically superimposed, so that the difference frequency or its modulation proportions tional is the sensor deflection. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß der Referenzlaser im selben optisch aktiven Medium wie der Sensorlaser angeordnet wird, so daß Tempe­ ratureinflüsse auf den Sensorlaser auch auf den Referenz­ laser wirken und so kompensiert werden. 3. The method according to claim 1 or 2, characterized net that the reference laser in the same optically active Medium as the sensor laser is arranged so that tempe influences on the sensor laser also on the reference act laser and are thus compensated.   4. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Filterung des kohärenten Überlagerungssignales eine Signalaufbe­ reitung erfolgt, der eine Frequenz-Demodulation nachge­ schaltet wird.4. The method according to one or more of claims 1 to 3, characterized in that by suitable filtering of the coherent beat signal followed by a frequency demodulation is switched. 5. Verfahren nach einem der obigen Ansprüche, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Referenzlaser aktiv frequenzmodu­ liert wird, derart, daß die Differenzfrequenz zwischen Sensorlaser und Referenzlaser durch eine Regelschleife auf einem konstanten Wert gehalten wird und der Regel­ schleife somit ein Informationssignal über die Sensoraus­ lenkung entnommen wird.5. The method according to any one of the above claims, characterized ge indicates that the reference laser is actively frequency mod is liert, such that the difference frequency between Sensor laser and reference laser through a control loop is kept at a constant value and the rule thus loop out an information signal via the sensor steering is removed. 6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensorelement, ins­ besondere eine mikromechanisch hergestellte Membran, an einen Meßwertaufnehmer gekoppelt wird und mit einem Laserspiegel starr verbunden ist, welcher Teil eines Lasersystemes ist, so daß eine Auslenkung des Sensor­ elementes in einer Frequenzverschiebung oder -modula­ tion des Lasers resultiert.6. Arrangement for performing the method according to claim 1, characterized in that a sensor element, ins especially a micromechanically manufactured membrane, is coupled to a transducer and with a Laser mirror is rigidly connected to what part of a Laser system is so that a deflection of the sensor element in a frequency shift or modula tion of the laser results. 7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement, insbesondere eine mikromechanisch gefertigte Membran, direkt als Laserspiegel ausgestaltet ist.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that the sensor element, in particular a micromechanical one manufactured membrane, directly designed as a laser mirror is. 8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement meßproblemspezifisch geformt ist, so daß in einer solchen Anordnung auf die Ankopplung eines weiteren Meßwertaufnehmers verzichtet werden kann. 8. Arrangement according to claim 6 or 7, characterized in that the sensor element is shaped specifically for the measurement problem, so that in such an arrangement on the coupling another transducer can be omitted.   9. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß dem Sensorlaser ein Referenzlaser derart zugeordnet ist, daß das frequenzmodulierte Signal des Sensorlasers mit dem Referenzlasersignal kohärent optisch überlagert wird, so daß die Differenzfrequenz bzw. deren Modulation proportional der Sensorauslenkung ist.9. Arrangement according to claim 6 or 7, characterized records that the sensor laser is a reference laser such is assigned that the frequency-modulated signal of the Sensor laser with the reference laser signal coherently optical is superimposed so that the difference frequency or their modulation proportional to the sensor deflection is. 10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur kohärenten Überlagerung eine Glasfaserweiche vorgesehen ist, an deren einem Ausgang eine Photodiode zur Detektion angeordnet ist, und welche gleichzeitig zur Übertragung der Pumplichtleistung verwendet wird.10. Arrangement according to claim 9, characterized in that for coherent superposition a glass fiber switch is provided, at one output a photodiode is arranged for detection, and which at the same time is used to transmit the pump light power. 11. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Referenzlaser im selben optisch aktiven Medium angeordnet ist, so daß Temperatureinflüsse auf den Sensorlaser auch auf den Referenzlaser wirken und so kompensiert werden.11. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that the reference laser is arranged in the same optically active medium, so that temperature influences on the sensor laser too act on the reference laser and are thus compensated. 12. Anordnung nach Anspruch 10 und 11, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Glasfaserweiche eine "X"-Form aufweist und somit die Pumplichtleistung auf zwei räumlich ge­ trennte Orte im aktiven Lasermaterial verteilt.12. Arrangement according to claim 10 and 11, characterized records that the glass fiber switch has an "X" shape and thus the pump light output on two ge separated places distributed in the active laser material. 13. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Filter vorge­ sehen ist, welches durch geeignete Filterung des kohären­ ten Überlagerungssignales eine Signalaufbereitung durch­ führt, der ein Frequenz-Demodulator nachgeschaltet ist. 13. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that a filter is featured can be seen, which by appropriate filtering of the coherent th overlay signals through signal processing leads, which is followed by a frequency demodulator is.   14. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem aktiv frequenz­ modulierten Referenzlaser eine Regelschleife zugeordnet ist, derart, daß die Differenzfrequenz zwischen Sensor­ laser und Referenzlaser auf einem konstanten Wert ge­ halten wird und der Regelschleife somit ein Informa­ tionssignal über die Sensorauslenkung entnommen wird.14. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that the active frequency assigned a control loop to modulated reference lasers is such that the difference frequency between sensor laser and reference laser at a constant value will hold and the control loop thus informa tion signal is taken via the sensor deflection. 15. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Wahl der Steifheit der mikromechanischen Membran der Dynamikbe­ reich des Sensors bestimmt wird.15. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that by choosing the Stiffness of the micromechanical membrane of the dynamics range of the sensor is determined. 16. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch geeignete Einbringung der mikromechanischen Membran in ein elek­ trisches Feld der Auslenkung der Membran eine diese Auslenkung kompensierende Kraft entgegengesetzt wird, derart, daß hieraus eine flexible Einstellung des Dynamik­ bereiches des Sensors durch Einstellung der Größe der Kompensationskraft erfolgt.16. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that by suitable Introduction of the micromechanical membrane in an elec trical field of the deflection of the membrane this one Deflection compensating force is opposed, such that this results in a flexible adjustment of the dynamics range of the sensor by adjusting the size of the Compensation force takes place. 17. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumplicht­ quelle eine Halbleiter-Laserdiode ist.17. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that the pump light source is a semiconductor laser diode. 18. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium ein mit Ionen der Lanthaniden dotiertes Wirts­ gitter (z. B. Nd:YAG o.a.) oder -Glas ist.18. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that the laser-active Medium is a host doped with lanthanide ions grid (e.g. Nd: YAG or the like) or glass. 19. Anordnung nach einem oder mehreren der obigen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorlaser­ kopf vom Pumplaser- und Signalauswerteteil verbindungs­ los örtlich getrennt ist.19. Arrangement according to one or more of the above An sayings, characterized in that the sensor laser Head of the pump laser and signal evaluation part connection is locally separated.