DE4135485A1 - Doppel-interferenz-refraktometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein doppeltes Interferenz- Refraktometer zur integralen Messung des Brechungsindexes der Luft.

Die Einheit der Länge ist durch die Meter-Definition von 1983 als Laufzeit einer elektromagnetischen Strahlung im Vakuum definiert.

Wird eine Länge durch elektromagnetische Strahlung in freier Atmosphäre gemessen, so muß der Brechungsindex zur Zeit der Messung bestimmt und die Wellenlänge korrigiert werden.

Refraktometer zur Bestimmung des Brechungsindexes der Luft sind bekannt. Interferometrische Refraktometer können durch Zählung der Interferenzstreifen den Weg messen, wo­ bei die Meßstrecke durch Luftleerpumpen und Wiederein­ lassung als optische Wegdifferenz oder durch mechanisches Abfahren einer bekannten Maßverkörperung bestimmt wird. Die Maßverkörperung muß dabei zweckmäßigerweise aus ei­ nem Material bestehen, das unbeeinflußt bleibt von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verändern. Der Anschluß an die Vakuumstrecke ist von Vorteil, aller­ dings muß die Länge genau bekannt sein. Das zeit- und ma­ terialaufwendige Auspumpen ist ein Nachteil. Die mechani­ sche Verschiebung gegen Anschläge erreicht nur eine be­ grenzte Genauigkeit.

Interferometrische Refraktometer können durch Messung des Phasenversatzes zwischen einer Vakuum-Meßstrecke für den Referenzstrahl und einer gleich langen Meßstrecke für den Meßstrahl in Luft den differentiellen optischen Wegunter­ schied, den die Strahlung durchläuft, ermitteln. Diese Messung ist eindeutig, solange der Wegunterschied über den Meßbereich kleiner λ/2 ist. Ein Meßbereich von Δn=10 E-4 und einer Auflösung von =10 E-8 würde eine Phasenmessung von =10 E-4 voraussetzen. Meßeinrichtungen solcher Art sind sehr aufwendig und unverhältnismäßig. Einrichtungen mit einem Auflösungsvermögen von =10 E-2 sind gebräuchlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein interfero­ metrisches Refraktometer großen Meßbereiches zu be­ schreiben, das mit gebräuchlichen Phasenmeßeinrichtungen betrieben werden kann.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß über min­ destens zwei refraktometrischen Meßstrecken ungleicher Längen mit je einer interferometrischen Meßanordnung ein gemeinsamer Meßwert für den Brechungsindex ermittelt wird.

Es werden zwei getrennte Interferenz-Refraktometer aufge­ baut, jedes mit einer Vakuum- und Luftmeßstrecke. Die Meßstrecken des einen Interferometers unterscheiden sich durch ihre Länge vom anderen, zweckmäßigerweise um den Faktor 100x. So werden mit dem Refraktometer kurzer Meßstrecke die beiden ersten Dezimalstellen des Brechungs­ indexes gemessen, mit dem langen die beiden letzten, die unter Berücksichtigung des Längenverhältnisses der beiden Meßstrecken addiert werden und den Wert des Brechungs­ indexes ergeben.

Der optische Aufbau des Refraktometers kann so erfolgen, daß die Komponenten, mit Ausnahme der unterschiedlichen Meßstrecken, von beiden Interferometern gemeinsam ge­ nutzt werden. Es können zusätzliche Maßnahmen in Form von umschaltbaren λ/2 Verzögerungsplatten getroffen werden, die es bei der Verwendung von polarisationsoptischen heterodynen Interferometern erlauben, die Länge der Meßstrecke durch Entfernungsmessung zu ermitteln. Es können die interferometrischen Strahlengänge doppelt und gegen­ läufig geführt werden, um die Auflösung der Phasenmeß­ einrichtung zu verdoppeln und nichtlineare Phasenfehler zu kompensieren.

Der Strahlengang, insbesondere der des Interferometers mit langer Meßstrecke, kann gefaltet werden, um die Dimen­ sionen klein zu halten.

Ist das Längenverhältnis der beiden Meßstrecken aufgrund von Ungenauigkeiten der Herstellung nicht ganzzahlig, so kann dieses durch den Multiplikationsfaktor korrigiert werden.

Der Aufbau des doppelten Interferenz-Refraktometers wird in den nachfolgenden Zeichnungen stufenweise und schema­ tisch dargestellt. Es zeigen die

Fig. 1 den schematischen Aufbau des einfachen Interferenz- Refraktometers mit der Vakuum- und Luftmeßstrecke,

Fig. 2 die Seitenansicht von zwei Interferenz-Refrakto­ metern nach Fig. 1 mit ungleich langen Meßstrecken,

Fig. 3 den schematischen Aufbau des einfachen, gefalteten, polarisationsoptischen Heterodyn-Interferometers,

Fig. 4 den vor den Interferometern angebrachten Strahlen­ teiler und die Schaltung zur Phasenmessung zweier gegenläufiger Interferometer,

Fig. 5 den schematischen Aufbau eines Doppel-Interferenz- Refraktometers ohne Vakuumkammern, mit nur zwei stabilen Referenzstrecken unterschiedlicher Länge.

In Fig. 1 ist mit 1 eine kohärente Strahlungsquelle be­ zeichnet, die in das Prisma 2 mit der Teilerschicht 3 ein­ strahlt. Unter dem Prisma 2 ist ein Rohr 4 angebracht, das die Länge der Meßstrecken 6 in Luft und 5 in Vakuum be­ stimmt und mit einem Planspiegel 7 abgeschlossen ist. Der Hohlraum 5 ist evakuiert. Die Strahlung wird an der Flä­ che 3 in einen Referenz- und einen Meßstrahlengang ge­ teilt, an 7 zurückreflektiert, an 3 wiedervereint und vom Photodetektor 8 empfangen.

Es zeigt die Fig. 2 die Seitenansicht des einfachen Inter­ ferometers aus Fig. 1, jedoch um ein zweites verdoppelt, wobei die Abstandsrohre 4a und 4b unterschiedliche Längen aufweisen und mit den Planspiegeln 7a und 7b abgeschlossen sind. Das vorgeschaltete Teilerprisma 10 wird nachfolgend in Fig. 4 näher beschrieben.

Es zeigt die Fig. 3 ein einfaches polarisationsoptisches, heterodynes Interferometer mit gefaltetem Strahlengang. Der nichtpolarisierende Intensitätsteiler 10 teilt die Strahlung wie nachfolgend in Fig. 4 beschrieben. Die hete­ rodyne, orthogonal zueinander polarisierte Strahlung tritt in das polarisationsoptische Teilerprisma 2 ein und wird an der Schicht 3 getrennt. Die beiden Strahlenbündel durchlaufen die Luft- und Vakuummeßstrecken 5 und 6, werden von der λ/4 Verzögerungsplatte 9 um 2×45° ge­ dreht und vom Tripelprisma 11 parallelversetzt, so daß sie die Meßstrecken noch ein zweites Mal durchlaufen und vom Photodetektor 8 empfangen werden. Die verschiebbare λ/2 Verzögerungsplatte 12 kann wahlweise in den Strahlen­ gang eingeschoben werden und dreht die Polarisationsrich­ tungen um 90°, so daß die Frequenzen in den Meßstrecken vertauscht werden. Mit den aufeinanderfolgenden Phasen­ messungen kann eine Entfernungsmessung über die Meßstrecken durchgeführt werden.

Es zeigt die Fig. 4 den Strahlenteiler 10 vor den Inter­ ferometern für das Doppel-Refraktometer mit gegenläufigen heterodynen Interferometern und das Schema der Signalver­ arbeitung nach den Detektoren 8a bis 8e.

Die Strahlung tritt in den mehrfach Strahlteiler 10 ein und wird von der ersten nichtpolarisierenden Teilerfläche im Verhältnis 1 : 4 intensitätsgeteilt. Der abgelenkte Teil wird in seiner Polarisation durch die λ/2 Verzöge­ rungsplatte um 90° gedreht zur Erzielung der Gegenläufig­ keit des Interferometers I22 gegenüber I21. Die zweite Teilerfläche teilt im Verhältnis 1 : 3, die dritte 1 : 2 und die letzte 1 : 1, so daß alle 4 Interferometer I11, I12, I21, I22 und der Referenzdetektor 8a die gleichen Intensitäten erhalten. Die Interferometer I11, I12 bil­ den das Refraktometer mit langer, die Interferometer I21, I22 dasjenige mit kurzer Meßstrecke.

Die Polarisatoren 13a-13e stehen unter 45° zu den ortho­ gonal ausgerichteten Strahlungskomponenten der beiden Fre­ quenzen. Die relative Lage der Polarisationsebenen von 13b zu 13c und 13d zu 13e ermöglicht die Kompensation nichtlinearer Phasenfehler.

Der Referenzdetektor 8a ist vor den Interferometern ange­ bracht, die Detektoren 8b und 8c sind die Meßdetektoren des einen gegenläufigen Interferometers, 8d und 8e dieje­ nigen des anderen. Beide Detektorpaare sind über Zähler und Komparatoren mit dem Referenzdetektor 8a verbunden. Die Komparatoren Kxy bilden die Differenzen der Zählinhal­ te der Zähler Zxy, Zyx. Das gegenläufige Doppel-Interfero­ meter I11 und I12 zählt in die Zähler Z11 und Z12 ein, die über die Komparatoren K1R und K2R mit dem Refe­ renzzähler ZR verbunden sind. Die Differenzen in den Kom­ paratoren K1R und K2R werden in die Zähler Z1R und Z2R eingezählt und vom Komparator K1 verglichen. In K1 erscheint nunmehr das Meßresultat des ersten Refrakto­ meters.

Die Messung des zweiten Refraktometers wird in analoger Weise verarbeitet und erscheint im Komparator K2. Eine der beiden Messungen wird mit dem Maßstabsfaktor, der dem Verhältnis der Meßwege der beiden Refraktometer ent­ spricht, multipliziert, addiert und in der nachfolgenden Anzeigeeinheit RO angezeigt. Der Einfachheit halber ist die Anzeige in RO1 und RO2 aufgeteilt und der Maßstabsfaktor mit 100x angenommen. Er soll durch den Anschluß von K2 an die geeigneten Dezimalstellen der An­ zeige RO2 erreicht werden.

Die Verdoppelung der Auflösung der Phasenmessung durch gegenläufige Interferometer hat die gleiche Wirkung wie die Faltung des Strahlenganges und erlaubt eine Redimen­ sionierung der Meßstrecke um die Hälfte.

Wird in den Refraktometern eine Vakuum- und eine Luftmeßstrecke verwendet, so zeigt RO den Wert für (n-1) an. Bei Verwendung nur einer Luftmeßstrecke wird der Bre­ chungsindex n als Verhältniswert zu einer stabilen und be­ kannten Länge der Meßstrecke angezeigt.

Es zeigt die Fig. 5 den schematischen Aufbau eines Doppel- Refraktometers nur mit Luftmeßstrecke. Die die Länge der Meßstrecke bestimmenden Distanzstücke 4a und 4b werden als Referenz für die optische Weglänge benutzt. Sie müssen stabil sein und aus einem Material hergestellt werden, das von den Parametern, die den Brechungsindex der Luft verän­ dern, unbeeinflußt bleibt.

Die Strahlung aus der Quelle 1 wird im Prisma 10 in drei Wege geteilt, von denen zwei in die beiden Interferenz- Refraktometer gelangen und einer zum Referenzdetektor 8a. Die beiden Interferometer sind räumlich getrennt, so daß die Referenzstrahlen an den verspiegelten Seiten der Distanzstücke 4a und 4b, die Meßstrahlen an den Plan­ spiegeln 7a und 7b reflektiert werden. Die Detektoren 8f und 8g empfangen die Meßsignale und die nachfolgende, nicht gezeichnete Elektronik ist ähnlich, aber einfacher als die in Fig. 4 dargestellte und verarbeitet die Meßwerte zur Anzeige von n, dem Brechungsindex.

Der technische Fortschritt dieses Doppel-Interferenz- Refraktometers gegenüber bekannten Meßgeräten besteht darin,

• - daß der Brechungsindex der Luft als (n - 1) oder n ab­ solut gemessen werden kann über den gesamten Meßbereich,
• - daß zur Durchführung der Messung keine Vakuumpumpe er­ forderlich ist,
• - daß die meisten optischen Bauteile von beiden Inter­ ferenz-Refraktometern gemeinsam benutzt werden,
• - daß der Aufbau des Gerätes stabil und kompakt ist bei hoher Auflösung,
• - daß bekannte, einfache Phasenmeßeinrichtungen zur Messung verwendet werden,
• - daß nichtlineare Phasenfehler kompensiert werden.

Claims (3)

1. Refraktometer zur interferometrischen, integralen Mes­ sung des Brechungsindexes der Luft, dadurch gekenn­ zeichnet, daß über mindestens zwei refraktometrischen Meßstrecken ungleicher Länge mit je einer interferometri­ schen Meßanordnung ein gemeinsamer Meßwert für den Brechungsindex ermittelt wird.

2. Refraktometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang im Interferometer mit langer Meßstrecke gefaltet wird.

3. Refraktometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Interferometer bei Verwendung von hetero­ dynen Strahlenquellen doppelt und gegenläufig geführt wird.