DE4139839C2 - Verfahren zur Bestimmung von Schwebungsfrequenzänderungen zwischen zwei Single-Mode-Lasern sowie zur Vermessung von Distanzen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der Lasermeßtechnik, und zwar ein Verfahren zur Bestimmung der Schwebungsfrequenzänderung zwischen zwei Single-Mode-Lasern bzw. zwei gegeneinander frequenzverschobenen Strahlen einer Laserquelle sowie zur Vermessung von Distanzen, bei dem die Laserstrahlen mittels akustooptischer Modulatoren in ihrer Frequenz beeinflußt werden, um Heterodyn-Interfereometer zu betreiben, deren mittels elektronischer Mischung erzeugte periodische Ausgangssignale eine Frequenz welche der Differenzfrequenz der AOM entspricht, und einen von der jeweiligen optischen Wegelänge der Interferometer sowie der zwischen beiden Lasern generierbaren Schwebungsfrequenz abhängigen Phasenwinkel besitzt.

Verschiedene Anordnungen zur absoluten Distanzinterferometrie gehen von Laserlichtquellen aus, deren Wellenlänge entweder alternierend zwischen zwei Werten variiert wird, wie es z. B. aus H. Matsumoto, "Synthetic interferometric distance-measuring system using a CO₂ Laser", Applied Optics (1986), Vol. 25, No. 4, P.493-498 bekannt ist oder die über zwei gleichzeitig emittierte Lichtkomponenten verschiedener Wellenlänge (Axialmoden) verfügen, wie in Y.-L. Wu, Y.-N. Zhang: "The beat wave interferometer with Zeeman laser for measuring short range", Conferenze on Precision Electromagnetic Measurements 1986 (CPEM 86), Cat. No. 86 CH 2267-3, IEEE New York, USA beschrieben wurde. Dabei besteht das Problem in der Erzeugung einer reproduzierbaren Schwebungsfrequenz bzw. Schwebungswellenlänge geeigne­ ter Abmessung, deren Variationsmöglichkeiten in der Regel durch die Parameter des Lasers (Breite der Gain-Kurve, Resonatorabmessung) begrenzt sind. Um eine Distanzmessung hoher Auflösung über einen großen Meßbereich zu realisieren, ist die Kombination mehrerer derartiger Schwebungswellenlängen erforderlich, die sich mittels verschiedener Laserlichtquellen erzeugen lassen. Der Nachteil dieser Anordnungen besteht neben dem nicht geringen Aufwand zur Stabilisierung der einzel­ nen Schwebungsfrequenzen vor allem in der relativ großen Dauer der Meß- und Auswertezyklen.

Andere bekannte Verfahren erzielen unter Verwendung von akustooptischen Modulatoren (AOM) äußerst stabile Schwebungsfrequenzen, die exakt gemessen werden können. Näheres dazu ist S. Manhart, R. Maurer: "Diode laser and fiber optics for dual-wavelength heterodyne interferometry", SPIE Vol. 1319 Optics in Complex Systems (1990), P. 214-216 zu entnehmen.

Sie finden jedoch bei ca. 1 GHz ihre physikalische Grenze, so daß sich kaum kleinere Schwebungswellenlängen als 300 mm erzielen lassen. Damit kann jedoch nur eine geringe Distanzauflösung erreicht werden.

Interessant sind Anordnungen, die eine variable Schwebungsfrequenz mit Hilfe einer stabilisierten Laserlichtquelle und eines durchstimmbaren Farbstofflasers realisieren, wie aus N.A. Massie, M.R. Dunn: "Telescope alignment with the absolute distance interferometer", SPIE Proceedings Vol. 332 bekannt wurde. Auf diese Weise lassen sich sehr kurze Schwe­ bungswellenlängen und damit hohe Distanzauflösungen erreichen. Die Ermittlung des Distanzmeßwertes erfordert die exakte Kenntnis der Schwebungswellenlänge bzw. Schwebungsfrequenz, die aus den beiden optischen Wellenlängen nach deren Bestimmung mittels Spektralapparat berechnet werden kann. Für große Distanzen gehen die Genauigkeitsanfor­ derungen über die Leistungsfähigkeit herkömmlicher Spektralapparate allerdings hinaus. Die Notwendigkeit der Kenntnis der Schwebungswellen­ länge erweist sich daher als Hindernis bei der Ausdehnung der absoluten Distanzinterferometrie auf große Meßbereiche.

Durch die US 4 907 886 ist ein Verfahren zur Vermessung von Distanzen unter Verwendung von akustooptischen Modulatoren und zwei Super-Heterodyn-Interferometer bekannt, womit periodische Signale erzeugt werden, deren Frequenz der Differenzfrequenz der verwendeten Oszillatoren entspricht. Aufbau und Funktion sind hier jedoch so gehalten, daß Messungen mit automatischer Korrektur der gegebenen Umwelteinflüsse nicht möglich sind.

Durch die DE 39 18 812 ist es bekannt, bei Verwendung eines heterodynen Interferometers die Wellenlänge eines Lasers durchzustimmen. Nachteilig bei der zitierten Anordnung ist jedoch, daß die Schwebungsfrequenz durch Fotoelemente mit einer extrem hohen Grenzfrequenz detektiert werden muß und daher die Variationsbreite der Schwebungsfrequenz wesentlich eingeschränkt wird.

Anordnungen, die eine Bestimmung der absoluten Distanz ohne unmittelbare Kenntnis der Schwebungswellenlänge ermöglichen, sind gegenwärtig nicht bekannt.

Die Erfindung stellt sich die Aufgabe, ein interferometrisches Verfahren zu entwickeln, das eine exakte Bestimmung der Änderungen der zwischen zwei Single-Mode-Lasern generierbaren Schwebungsfrequenz gestattet sowie unter Verwendung eines kalibrierten Vergleichsinterferometers eine absolute Distanzmessung mit hoher Auflösung erlaubt.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren nach dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.

Zur Durchführung des Verfahrens dient eine Vorrichtung, die

• 1. aus zwei Single-Mode-Lasern mit nahezu identischen Gain-Kurven, von denen mindestens einer durchstimmbar ist,
• 2. einem Super-Heterodyn-Interferometer mit bekannter optischer Weg­ länge, das auf der Grundlage von akustooptischen Modulatoren AOM arbeitet und dessen elektronischer Output ein durch die AOM-Frequen­ zen definiertes periodisches Signal liefert, dessen Phasenwinkel eine Funktion der optischen Schwebungsfrequenz ist,
• 3. elektronischen Phasenmessern, die in Verbindung mit Zählein­ heiten alle ganzzahligen Vielfachen und Bruchteile von 2π der Phasenwinkel der Interferometersignale bezüglich eines aus den AOM-Generatoren gewonnenen Referenzsignals registrieren,
• 4. einer Mikrorechnereinheit, welche die Laserdurchstimmung auslöst und nach Beendigung des Durchstimmvorgangs das Resultat der Phasen­ messung speichert sowie eine Berechnung der Schwebungsfrequenz­ änderung durchführt,
• 5. und einem zweiten identischen Super-Heterodyn-Interferometer, dessen optische Wegdifferenz einer unbekannten zu vermessenden Distanz entspricht,

besteht.

Die Schwebungsfrequenz F ist durch die Wellenlängen der beiden Single-Mode-Laser λ₁ und λ₂ definiert:

(c=Lichtgeschwindigkeit).

Geht man davon aus, daß der Phasenwinkel des Heterodynsignals im Fall einer innerhalb des mit den Laserstrahlen beaufschlagten Interferometers vorliegenden Wegdifferenz D_o durch den Ausdruck:

gegeben ist, so führt eine Änderung ΔF der Schwebungsfrequenz F zu Phasen­ änderungen Δδ, die sich als Vielfache M von 2π darstellen lassen:

Die Ermittlung der infolge Laserwellenlängenvariation resultierenden Änderung der Schwebungsfrequenz kann mit Kenntnis der innerhalb des Interferometers definierten Wegdifferenz D_o erfolgen:

Der Wert von D_o ist z. B. durch eine direkte Vermessung der Reflektor­ distanzen unter Verwendung eines geeigneten Meßmittels bestimmbar. Diese Aufgabe kann mit einem konventionellen Laserinterferometer zur Längen­ messung gelöst werden.

Wird die Anordnung mit einem zweiten identischen Super-Heterodyn-Inter­ ferometer ergänzt, so kann dessen optische Wegdifferenz D_x eindeutig berechnet werden. Das geschieht, indem die für beide Interferometer resultierenden Zählergebnisse ins Verhältnis gesetzt werden. Unter Berücksichtigung von Gl. (3) gilt:

Auf diese Weise ist die Ermittlung der unbekannten Distanz D_x wiederum unter Voraussetzung der Kenntnis von D_o möglich.

Die Erfindung soll nachstehend an einem Ausführungsbeispiel erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung ist der schematische Aufbau einer Anordnung, mit der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, dargestellt. Die von zwei Laserlicht­ quellen (LASER) emittierten linear polarisierten Strahlen werden nach dem Passieren von jeweils einem λ/2-Plättchen LH, das eine Änderung der Polarisationsorientierung ermöglicht, auf eine Anordnung von akusto­ optischen Modulatoren AOM gerichtet. Entsprechend den Frequenzen der Generatoren G₁, G₂ erfahren die gebeugten Strahlkomponenten defi­ nierte Frequenzverschiebungen. Mittels weiterer λ/2-Plättchen LH, Spiegel SP und Polarisationsteiler PT werden die Teilstrahlen wieder zusammengeführt, bleiben jedoch aufgrund ihrer orthogonal orientierten Polarisationsebenen weiterhin separierbar.

In einem 50%-Strahlteiler ST werden alle Strahlkomponenten zu zwei Gesamtstrahlen vereinigt, die je einem Interferometer zugeführt werden.

Beide Interferometer sind vom Michelson-Typ und bestehen neben dem Polarisationsstrahlteiler PT aus je zwei Reflektoren RF, zwei λ/4-Plättchen LV, einem Polarisationsfilter PF sowie einer Empfangs­ einheit mit Fotodetektor FD und elektronischer Misch- und Filterstufe MF. Sie generieren auf der Grundlage des Heterodynprinzips periodische Signale S₁ und S₂, deren Frequenz der Differenzfrequenz der beiden akustooptischen Modulatoren entspricht und deren Phasen Funktionen der Reflektordistanz D_o bzw. D_x sind:

Die Reflektordistanz des Vergleichsinterferometers D_o wird durch eine kalibrierte Vergleichsstrecke KVS realisiert, die durch Mehrfach­ reflexionen zwischen zwei Planspiegeln sehr kompakt gestaltet werden kann.

Die erzeugten Interferometersignale werden je einem elektronischen Phasenmesser PM, der in Verbindung mit einem Zähler Z die Registrierung aller Phasenänderungen, d. h. ganzzahlige Vielfache und Bruchteile von 2π, ermöglicht, zugeführt.

Nach erfolgter Durchstimmung der Wellenlänge eines der beiden Laser und der damit verbundenen Änderung der Phasenwinkel beider Laser und der damit verbundenen Änderung der Phasenwinkel beider Interferometer­ signale, werden die Zählergebnisse der Phasenmessung von einer Mikro­ rechnereinheit (MIKRORECHNER) eingelesen und zur Berechnung der Schwe­ bungsfrequenzänderung ΔF gemäß Gl. (2) oder der unbekannten Reflektor­ distanz D_x nach Gl. (5) verwendet. Die Laserabstimmung erfolgt mittels eines rechnergesteuerten Tuners (TUNER).

Bezugszeichenliste:

LH λ/2-Plättchen
PT Polarisationsteiler
SP Spiegel
UP Umlenkprisma
PF Polarisationsfilter
FD Fotodetektor
AOM Akustooptischer Modulator
ST 50%-Strahlteiler
RF Reflektor
LV λ/4-Plättchen
KVS kalibrierte Vergleichstrecke
D_x, D_o Reflektordistanz zur Bezugsebene des Interferometers
G₁, G₂ Generatoren zur Ansteuerung der akustooptischen Modulatoren
MF elektronische Misch- und Filterstufe
PM elektronischer Phasenmesser
Z Zähler

Claims (1)

1. Verfahren zur Bestimmung von Schwebungsfrequenzänderung zwischen zwei Single-Mode-Lasern bzw. zwei gegeneinander frequenzverschobenen Strahlen einer Laserquelle sowie zur Vermessung von Distanzen, bei dem die Laserstrahlen mittels akustooptischer Modulatoren (AOM) in ihrer Frequenz beeinflußt werden, um Heterodyn-Interfereometer zu betreiben, deren mittels elektronischer Mischung erzeugte periodische Ausgangssignale eine Frequenz, welche der Differenzfrequenz der AOM entspricht, und einen von der jeweiligen optischen Weglänge der Interferometer sowie der zwischen beiden Lasern generierbaren variablen Schwebungsfrequenz abhängigen Phasenwinkel besitzen, dadurch gekennzeichnet,
   daß aus den zur Ansteuerung der akustooptischen Modulatoren erforderlichen Generatoren allein mit elektronischen Mitteln ein periodisches Referenzsignal gewonnen wird, das den Bezug für eine Messung der Phasenwinkel der Interferometersignale mittels elektronischer Phasenmesser bildet,
   daß für jedes Interferometer die im Fall einer Änderung der optischen Schwebungsfrequenz resultierenden Phasenwinkelvariationen vollständig in der Weise erfaßt werden, daß bei Beendigung der Schwebungsfrequenzänderung eine Registrierung der aktuellen Phasenwinkelwerte mittels Mikrorechnereinheit erfolgt,
   daß alle während des Durchstimmvorgangs auftretenden vollen Phasenumläufe von 2π durch elektronische Zähler aufsummiert und die Ergebnisse zwecks weiterer Bearbeitung in einem Mikrorechner gespeichert werden,
   und daß eines der betriebenen Heterodyn-Interferometer eine besondere Ausbildung hat, in der Weise, daß in einem seiner Interferometerarme ein zwischen zwei fest eingerichteten planen Spiegeln infolge Mehrfachreflexion erzielter langer Lichtweg D₀ realisiert ist und der Zustand des dabei durchstrahlten optischen Mediums weitgehend dem Zustand des Mediums entspricht, in dem die Distanz- und Positionsmessungen mittels des anderen, mit einem beweglichen Reflektor ausgestatteten Heterodyn-Interferometers verrichtet werden.