DE4139839C2 - Verfahren zur Bestimmung von Schwebungsfrequenzänderungen zwischen zwei Single-Mode-Lasern sowie zur Vermessung von Distanzen - Google Patents
Verfahren zur Bestimmung von Schwebungsfrequenzänderungen zwischen zwei Single-Mode-Lasern sowie zur Vermessung von DistanzenInfo
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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 Do 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 Do erfolgen:
Der Wert von Do 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 Dx 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 Dx wiederum
unter Voraussetzung der Kenntnis von Do 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 Do bzw. Dx sind:
Die Reflektordistanz des Vergleichsinterferometers Do 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 Dx 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
Dx, Do Reflektordistanz zur Bezugsebene des Interferometers
G₁, G₂ Generatoren zur Ansteuerung der akustooptischen Modulatoren
MF elektronische Misch- und Filterstufe
PM elektronischer Phasenmesser
Z Zähler
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
Dx, Do 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)
- 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.
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