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
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 signalInfo
- Publication number
- DE4125485A1 DE4125485A1 DE4125485A DE4125485A DE4125485A1 DE 4125485 A1 DE4125485 A1 DE 4125485A1 DE 4125485 A DE4125485 A DE 4125485A DE 4125485 A DE4125485 A DE 4125485A DE 4125485 A1 DE4125485 A1 DE 4125485A1
- Authority
- DE
- Germany
- Prior art keywords
- laser
- sensor
- frequency
- arrangement according
- deflection
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 title abstract description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 239000012528 membrane Substances 0.000 claims description 11
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 10
- 238000005259 measurement Methods 0.000 claims description 9
- 239000003365 glass fiber Substances 0.000 claims description 6
- 230000001427 coherent effect Effects 0.000 claims description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 4
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 4
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 4
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 3
- 238000001914 filtration Methods 0.000 claims description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 2
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 claims 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 claims 1
- 229910021644 lanthanide ion Inorganic materials 0.000 claims 1
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 7
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 8
- 239000013078 crystal Substances 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 3
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 3
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 3
- 238000000053 physical method Methods 0.000 description 3
- 230000003667 anti-reflective effect Effects 0.000 description 2
- 238000005452 bending Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 description 2
- 238000010276 construction Methods 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000002277 temperature effect Effects 0.000 description 2
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 229910021421 monocrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 description 1
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 description 1
- 238000007493 shaping process Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 1
- 230000003068 static effect Effects 0.000 description 1
- 239000013589 supplement Substances 0.000 description 1
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
- 238000000844 transformation Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
- G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
- G01D5/268—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light using optical fibres
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Lasers (AREA)
Abstract
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)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914125485 DE4125485C2 (en) | 1991-08-01 | 1991-08-01 | Method and arrangement for measuring the smallest deflections |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19914125485 DE4125485C2 (en) | 1991-08-01 | 1991-08-01 | Method and arrangement for measuring the smallest deflections |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4125485A1 true DE4125485A1 (en) | 1993-02-04 |
DE4125485C2 DE4125485C2 (en) | 1994-05-19 |
Family
ID=6437481
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19914125485 Expired - Fee Related DE4125485C2 (en) | 1991-08-01 | 1991-08-01 | Method and arrangement for measuring the smallest deflections |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4125485C2 (en) |
Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1807876A1 (en) * | 1967-11-10 | 1969-07-31 | Comp Generale Electricite | Device for displaying minor changes in position |
DE2631663A1 (en) * | 1976-07-14 | 1978-01-26 | Industrieanlagen Betriebsges | Accurate length change measurement by laser beam timing - uses polygonal rotating mirror array to split pulsed beam into reflected and reference beams |
SU778493A1 (en) * | 1979-05-14 | 1981-09-07 | Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт | Laser accelerometer |
US4452533A (en) * | 1981-07-22 | 1984-06-05 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | External cavity diode laser sensor |
DE3435868A1 (en) * | 1984-09-29 | 1986-04-10 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Method for measuring a movement parameter of an object |
EP0209721A1 (en) * | 1985-06-26 | 1987-01-28 | Rockwell International Corporation | Laser sensor |
EP0348039A2 (en) * | 1988-06-24 | 1989-12-27 | Reiton Corporation | Laser measuring devices |
EP0167277B1 (en) * | 1984-06-01 | 1990-12-27 | Sharp Kabushiki Kaisha | A micro-displacement measuring apparatus |
SU1638580A1 (en) * | 1988-08-01 | 1991-03-30 | Дальневосточный политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Acoustic pressure gauge |
DE3931021A1 (en) * | 1989-09-16 | 1991-04-18 | Hommelwerke Gmbh | POWER KNIFE |
SU1656356A1 (en) * | 1988-08-01 | 1991-06-15 | Дальневосточный политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Method of measuring acoustic pressure fluctuations |
-
1991
- 1991-08-01 DE DE19914125485 patent/DE4125485C2/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (11)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE1807876A1 (en) * | 1967-11-10 | 1969-07-31 | Comp Generale Electricite | Device for displaying minor changes in position |
DE2631663A1 (en) * | 1976-07-14 | 1978-01-26 | Industrieanlagen Betriebsges | Accurate length change measurement by laser beam timing - uses polygonal rotating mirror array to split pulsed beam into reflected and reference beams |
SU778493A1 (en) * | 1979-05-14 | 1981-09-07 | Московский Ордена Трудового Красного Знамени Инженерно-Физический Институт | Laser accelerometer |
US4452533A (en) * | 1981-07-22 | 1984-06-05 | The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy | External cavity diode laser sensor |
EP0167277B1 (en) * | 1984-06-01 | 1990-12-27 | Sharp Kabushiki Kaisha | A micro-displacement measuring apparatus |
DE3435868A1 (en) * | 1984-09-29 | 1986-04-10 | Robert Bosch Gmbh, 7000 Stuttgart | Method for measuring a movement parameter of an object |
EP0209721A1 (en) * | 1985-06-26 | 1987-01-28 | Rockwell International Corporation | Laser sensor |
EP0348039A2 (en) * | 1988-06-24 | 1989-12-27 | Reiton Corporation | Laser measuring devices |
SU1638580A1 (en) * | 1988-08-01 | 1991-03-30 | Дальневосточный политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Acoustic pressure gauge |
SU1656356A1 (en) * | 1988-08-01 | 1991-06-15 | Дальневосточный политехнический институт им.В.В.Куйбышева | Method of measuring acoustic pressure fluctuations |
DE3931021A1 (en) * | 1989-09-16 | 1991-04-18 | Hommelwerke Gmbh | POWER KNIFE |
Non-Patent Citations (4)
Title |
---|
BOERSCH, H. * |
EICHLER, H. * |
WIESEMANN, W.: Messung von Längen- änderungen bis 10-3 A mit einem 2-Modenlaser. In: Z.angew.Phys., Bd.28, 1969, S.129-131 * |
WIESMANN, W.: Measure- ment of Length Shifts down to 10-3 A with a Two- Mode Laser. In: Applied Optics, March 1970, Vol.9,No.3, S.645-648 * |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
DE4125485C2 (en) | 1994-05-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
DE60211016T2 (en) | OPTICAL DISTANCE SENSOR | |
DE60312583T2 (en) | Pressure sensor and method for its manufacture | |
EP0172390B1 (en) | Method and apparatus for rotation rate measurement using a passive optical resonator | |
US5774619A (en) | Precision deformation mechanism and method | |
DE69019913T2 (en) | Atomic force microscope. | |
EP2045572B1 (en) | Apparatus for determining a position | |
DE10107327B4 (en) | To prevent unnecessary oscillation suitable angular velocity sensor | |
EP2998777B1 (en) | Piezoelectric position sensor for piezoelectric driven resonant micromirror | |
DE69736457T2 (en) | Interatomic measurement technology | |
DE102021201585A1 (en) | CAPACITIVE CHARGE BASED SELF-SENSING AND POSITION OBSERVER FOR ELECTROSTATIC MEMS MIRRORS | |
EP0433824A1 (en) | Fibre-optical sensor | |
DE4039371A1 (en) | DEVICE FOR OPERATING A LASER DIODE | |
DE69902376T2 (en) | OPTICALLY ADDRESSABLE MEASURING SYSTEM | |
DE19801981C2 (en) | Vibration type angular velocity sensor | |
DE69713375T2 (en) | INTEGRATED INTERFEROMETER | |
EP0420897B1 (en) | Method of path and angle measurement | |
DE2710638C2 (en) | Device for the non-contact optical reception of ultrasonic waves in non-destructive material testing | |
EP3447441A1 (en) | Device for interferential distance measurement | |
WO1991000522A1 (en) | Device for measuring mechanical forces and dynamic effects | |
EP0670469A1 (en) | Brillouin-ring laser gyro | |
DE69007332T2 (en) | Optical amplifier with low noise. | |
DE69328381T2 (en) | DEVICE FOR MEASURING FORCE COMPONENTS IN MONOCRISTALLINE MATERIAL, METHOD FOR PRODUCING SUCH A DEVICE AND ITS APPLICATION | |
EP0764354A1 (en) | Diode-pumped solid-state ring laser gyroscope | |
DE3403308A1 (en) | LASER GYROSCOPE | |
DE4125485C2 (en) | Method and arrangement for measuring the smallest deflections |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
OP8 | Request for examination as to paragraph 44 patent law | ||
D2 | Grant after examination | ||
8364 | No opposition during term of opposition | ||
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: DAIMLER-BENZ AEROSPACE AKTIENGESELLSCHAFT, 80804 M |
|
8327 | Change in the person/name/address of the patent owner |
Owner name: SCHMITT, NIKOLAUS, DR., 80797 MUENCHEN, DE |
|
8339 | Ceased/non-payment of the annual fee |