DE4306090A1 - Vorrichtung zur Längenmodulation eines Laserstrahles - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Längenmodu­ lation eines Laserstrahles.

Bei interferometrischen Messungen mit einem Laserstrahl auch kurzer Kohärenzlänge unter Ausnutzung des Laser­ dopplereffektes ist es erforderlich, die Weglänge des Referenzstrahles zu verändern, um eine Abstimmung zwi­ schen Meßstrahl und Referenzstrahl zu ermöglichen. Übli­ cherweise wird hierzu ein den Referenzstrahl in sich zu­ rückreflektierender Spiegel in Richtung des Referenz­ strahles linear hin und her bewegt. Dies kann für sehr geringe Wegstrecken mit erträglichem technischem Aufwand erreicht werden. Es bereitet jedoch erhebliche Schwie­ rigkeiten, den Spiegel linear mit hohen Frequenzen über eine Wegstrecke von einigen Zentimetern zu bewegen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrich­ tung der vorstehend beschriebenen Art anzugeben, die auf einfache Weise eine Weglängenänderung eines Laserstrah­ les bis zur Größenordnung von einigen Zentimetern mit hoher Frequenz ermöglicht.

Zur Lösung dieser Aufgabe umfaßt die eingangs genannte Vorrichtung erfindungsgemäß einen über einen Schwingan­ trieb hin und her bewegbaren Schwenkspiegel mit senk­ recht zur Richtung des Laserstrahls gerichteter Schwing­ achse, wobei der auf den Schwingspiegel einfallende Strahl und der von dem Schwingspiegel reflektierte Strahl eine Strahlebene definieren, Mittel zum Fokussie­ ren des Laserstrahles auf die Schwingachse, eine Sammel­ linse, die im Weg des von dem Schwingspiegel reflektier­ ten Strahles so angeordnet ist, daß ihre optische Achse in der Strahlebene liegt und daß ihr Brennpunkt mit dem Auftreffpunkt des einfallenden Strahles auf den Schwing­ spiegel zusammenfällt, ein im parallelen Strahlengang der Sammellinse angeordnetes Beugungsgitter, dessen Git­ terebene senkrecht zur Strahlebene und unter einem von 900 verschiedenen Winkel zur optischen Achse der Sammel­ linse gerichtet ist, und einen stationären Spiegel, der senkrecht zu dem gebeugten Strahl angeordnet ist.

Vorzugsweise wird dabei der Beugungsstrahl erster Ord­ nung gewählt, da die Strahlungsintensität zu Beugungs­ strahlen höherer Ordnung in der Regel abnimmt. Der Win­ kel zwischen der Gitterebene und der optischen Achse ist dabei gleich dem Winkel zwischen der Gitterebene und dem Beugungsstrahl erster Ordnung.

Bei der vorstehend beschriebenen Anordnung der optischen Elemente wird der Laserstrahl unabhängig von der Stel­ lung des Schwingspiegels stets durch den stationären Spiegel in sich selbst reflektiert. Die Länge des Strahlweges zwischen der Sammellinse und dem stationären Spiegel verändert sich jedoch mit dem Abstand des Strah­ les von der optischen Achse, so daß sich zwischen den das parallele Strahlenbündel zwischen der Sammellinse und dem stationären Spiegel begrenzenden Randstrahlen deutliche Weglängenunterschiede ergeben, die eine Länge von einigen Zentimetern erreichen können, wobei diese Weite von den Abmessungen der verwendeten optischen Ele­ mente und ihrer Anordnung relativ zu einander abhängen. Um die Wegdifferenz zwischen den Randstrahlen zu reali­ sieren, ist lediglich eine Schwing- oder Drehbewegung des Schwingspiegels erforderlich. Diese kann ohne Mühe mit einer relativ hohen Frequenz erfolgen. Eine lineare Bewegung eines Spiegelelementes ist nicht erforderlich.

Das Beugungsgitter kann als Transmissionsgitter oder Re­ flexionsgitter ausgebildet sein. Im ersten Fall ist der stationäre Spiegel auf der der Sammellinse fernen Seite des Beugungsgitters angeordnet, während er im zweiten Fall auf der der Sammellinse zugewandten Seite des Beu­ gungsgitters angeordnet sein muß.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, welche in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung der optischen Ele­ mente der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

In der Figur ist mit 10 ein Schwingspiegel bezeichnet, der zwischen der durch ausgezogene Linien wiedergegebe­ nen Stellung und der durch gestrichelte Linien wiederge­ gebenen Stellung mittels eines nicht dargestellten Dreh­ antriebes um eine in der Spiegelebene liegende Achse 12 hin und her bewegt werden kann. Anstelle eines solchen an sich bekannten Schwingspiegels kann auch ein bekann­ ter Drehspiegel, beispielsweise ein Polygenspiegel ver­ wendet werden. Ein Laserstrahl 14, dessen Weglänge modu­ liert werden soll, fällt in einer senkrecht zur Schwing­ achse 12 gerichteten Strahlebene auf den Schwingspiegel 10. Dabei wird der Laserstrahl mittels einer Fokussier­ einrichtung 16 so fokussiert und ausgerichtet, daß der Brennpunkt des Strahls auf der Schwingachse 12 liegt.

Im Weg des vom Schwingspiegel reflektierten Strahles ist eine Sammellinse 18 angeordnet, deren optische Achse 20 ebenfalls in der Strahlebene liegt und deren Brennpunkt mit dem Auftreffpunkt des Laserstrahls 14 auf der Schwingachse 12 des Schwingspeiegels 10 zusammenfällt. Somit verläuft der aus der Sammellinse 18 austretende Strahl parallel zur optischen Achse 20. Die den beiden Stellungen des Schwingspiegels 10 entsprechenden Rand­ strahlen 14a und 14b des durch die Sammellinse 18 hin­ durchtretenden Strahlenbündels sind durch eine ausgezo­ gene Linie und durch eine gestrichelt dargestellte Linie wiedergegeben.

Im Weg des aus der Sammellinse 18 austretenden paralle­ len Strahlenbündels ist ein Beugungsgitter 22 unter ei­ nem Winkel α1 zur optischen Achse angeordnet. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Beugungsgitter ein Transmissionsgitter. Der Neigungswinkel α1 ist so gewählt, daß der Winkel α2 zwischen dem aus dem Beu­ gungsgitter austretenden Strahl erster Ordnung, der hier eingezeichnet ist, gleich dem Winkel α1 ist. Der Strahl erster Ordnung bildet mit der optischen Achse einen Win­ kel R.

Senkrecht zur Strahlebene und zu den Strahlen erster Ordnung ist ein stationärer Spiegel 24 angeordnet, der die aus dem Beugungsgitter 22 austretenden Strahlen er­ ster Ordnung wieder in sich selbst reflektiert.

Wie man erkennt, ergibt sich zwischen den mit 14a und 14b bezeichneten Randstrahlen des parallelen Strahlen­ bündels zwischen der Sammellinse 18 und dem stationären Spiegel 24 ein deutlicher Wegunterschied. Dieser Wegun­ terschied D ist maximal gleich 4 · 1 oder

wobei d(x) den Abstand eines Strahles von dem Randstrahl 14a bezeichnet.

Anstelle eines als Transmissionsgitter ausgebildeten Beugungsgitters 22 kann auch ein Reflexionsgitter ver­ wendet werden. In diesem Fall muß der Spiegel 24 auf der entgegengesetzten Seite des Beugungsgitters 22 angeord­ net werden.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung lassen sich ohne Schwierigkeiten Längenänderungen des Laserstrahles von einigen Zentimetern realisieren. Bei einer Modulations­ frequenz, d. h. einer Schwing- oder Drehfrequenz des Schwing- oder Drehspiegels von 1 kHz lassen sich bei der Überlagerung des modulierten Strahles mit einem unverän­ derten Strahl Doppelverschiebungen von mehr als 100 MHz erreichen, ohne daß hierzu Linearverschiebungen eines optischen Elementes erforderlich wären.

Claims (5)

1. Vorrichtung zur Längenmodulation eines Laserstrahles, gekennzeichnet durch
einen über einen Schwingantrieb hin und her bewegba­ ren Schwingspiegel (10) mit senkrecht zur Richtung des Laserstrahls gerichteter Schwingachse (12), wobei der auf den Schwingspiegel (10) einfallende Strahl und der von dem Schwingspiegel (10) reflektierte Strahl eine Strahlebene definieren,
Mittel (16) zum Fokussieren des Laserstrahles (14) auf die Schwingachse (12),
eine Sammellinse (18), die im Weg des vom Schwing­ spiegel (10) reflektierten Strahles so angeordnet ist, daß ihre optische Achse (20) in der Strahlebene liegt und daß ihr Brennpunkt mit dem Auftreffpunkt des einfallenden Strahles auf dem Schwingspiegel (10) zusammenfällt,
ein im parallelen Strahlengang der Sammellinse (18) angeordnetes Beugungsgitter (22), dessen Gitterebene senkrecht zur Strahlebene und unter einem von 90° verschiedenen Winkel α1 zur optischen Achse (20) der Sammellinse (18) gerichtet ist, und
einen stationären Spiegel (24), der senkrecht zu dem gebeugten Strahl angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel α1 der Gitterebene des Beugungsgit­ ters (22) relativ zur optischen Achse (20) gleich dem Winkel α2 zwischen dem gebeugten Strahl erster Ord­ nung und der Gitterebene ist und daß der stationäre Spiegel (24) senkrecht zu dem gebeugten Strahl erster Ordnung gerichtet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der jeweilige Winkel des Beugungsgit­ ters (22) und des stationären Spiegels (24) zu der optischen Achse (20) einstellbar ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (22) als Transmissionsgitter ausgebildet ist und daß der sta­ tionäre Spiegel (24) auf der der Sammellinse (18) fernen Seite des Beugungsgitters (22) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter als Reflexi­ onsgitter ausgebildet ist und daß der stationäre Spiegel auf der der Sammellinse nahen Seite des Beu­ gungsgitters angeordnet ist.