DE4336318A1 - Arrangement for frequency shifting of light, in particular in an interferrometric measuring system - Google Patents

Arrangement for frequency shifting of light, in particular in an interferrometric measuring system

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DE4336318A1 DE19934336318 DE4336318A DE4336318A1 DE 4336318 A1 DE4336318 A1 DE 4336318A1 DE 19934336318 DE19934336318 DE 19934336318 DE 4336318 A DE4336318 A DE 4336318A DE 4336318 A1 DE4336318 A1 DE 4336318A1
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Abstract

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Description

Für Heterodynmeßverfahren, z. B. in der Interferometrie, ist es oft wünschenswert, einen Lichtstrahl in seiner Frequenz zu verändern. Dabei ist eine frei wählbare Verschiebung Δf der Frequenz von besonderem Interesse.For heterodyne measuring methods, e.g. B. in interferometry, it is often desirable to change the frequency of a light beam. There is a freely selectable one Shift Δf of frequency of particular interest.

Weniger wichtig ist in vielen Fällen die Unterdrückung von Oberwellen der Verschiebungsfrequenz, da die schmalbandige Detektion diese oft unterdrückt.In many cases, the suppression of harmonics is less important Shift frequency, since the narrow-band detection often suppresses this.

In WO 92/19930 ist in einer interferometrischen Meßanordnung zur hochauflösenden Dickenmessung (OCDR) (siehe dazu auch Youngquist u. a., Optics Letters, Vol. 12, No. 3/March 87), mit einer Lichtquelle vorzugsweise kurzer Kohärenzlänge, im Referenzstrahlengang des Interferometers ein akustooptischer Modulator vorgesehen, um den modulierten Lichtstrahl zusätzlich in seiner Frequenz zu verschieben, damit das zu messende Signal nicht im Signalrauschen des Meßsystems untergeht.In WO 92/19930 is in an interferometric measuring arrangement for high resolution Thickness measurement (OCDR) (see also Youngquist et al., Optics Letters, Vol. 12, No. 3 / March 87), with a light source, preferably a short coherence length, in Reference beam path of the interferometer an acousto-optical modulator is provided, to additionally shift the frequency of the modulated light beam so that the Signal to be measured is not lost in the signal noise of the measuring system.

Der Einsatz von einem oder mehreren akustooptischen Modulatoren ist jedoch kostenaufwendig.However, the use of one or more acousto-optical modulators expensive.

Akustooptische Modulatoren bewirken durch die Verwendung von beweglichen Gittern eine spektrale Einengung des Lichtes, was zu einer unerwünschten Vergrößerung der Kohärenzlänge führt.Acousto-optical modulators effect through the use of movable grids a spectral narrowing of the light, which leads to an undesirable magnification of the Leads to coherence length.

Der Frequenzbereich ist sowohl für die Lichtfrequenz als auch für die Modulationsfrequenz eingeschränkt.The frequency range is for both the light frequency and the Modulation frequency limited.

Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, die Modulation ohne bewegte mechanische Teile vorzunehmen, wobei sowohl für die Lichtfrequenz als auch die Verschiebungsfrequenz ein großer Frequenzbereich zur Verfügung stehen soll.The invention is therefore based on the task of modulation without moving make mechanical parts, both for the light frequency and the Shift frequency a large frequency range should be available.

Die Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.The task is in a generic arrangement by the characterizing Features of claim 1 solved.

Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Preferred developments of the invention are described in the subclaims.  

Die erfindungsgemäße Lösung ist besonders vorteilhaft beim Einsatz von Lichtquellen kurzer Kohärenzlänge einsetzbar. Bei integriert-optischem Aufbau können extreme Bandbreiten der Verschiebung bei geringer Leistungsaufnahme erzielt werden.The solution according to the invention is particularly advantageous when using light sources short coherence length can be used. With an integrated optical structure, extreme Bandwidths of shift can be achieved with low power consumption.

Der gewählte Spannungshub der Sägezahnspannung ergibt sich hierbei aus der linearen Beziehung von Spannungshub und Phasenhub sowie der Forderung, daß der maximale Phasenhub der Modulation 2π oder ein ganzzahliges Vielfaches n · 2π betragen soll. Der genannte Bereich der Modulationsfrequenz im MHz-Bereich ist besonders vorteilhaft bei der intraokularen Abtastung mittels einer OCDR-Anordnung anwendbar. Der Einsatz von Lichtquellen größerer spektraler Breite, wie z. B. Superlumineszenzdioden, wird ermöglicht.The selected voltage swing of the sawtooth voltage results from the linear one Relationship between voltage swing and phase swing and the requirement that the maximum Phase shift of the modulation should be 2π or an integer multiple n · 2π. The mentioned range of the modulation frequency in the MHz range is special can be used advantageously for intraocular scanning using an OCDR arrangement. The use of light sources of greater spectral width, such as. B. Superluminescent diodes is made possible.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention will now be described with reference to the schematic drawings explained. Show it:

Fig. 1 den zeitlichen Verlauf der Sägezahnspannung U (t) sowie der proportionalen Phasenverschiebung Δγ (t) Fig. 1 shows the time course of the sawtooth voltage U (t) and of the proportional phase shift Δγ (t)

Fig. 2 Die schematische Darstellung der Lichtmodulation beim Durchgang durch einen integriert optisch aufgebauten elektrooptischen Modulator. Fig. 2 The schematic representation of the light modulation when passing through an integrated optically constructed electro-optical modulator.

Fig. 3 Eine interferometrische Meßanordnung zur Bestimmung der Abstände von Schichten und Strukturen, vorzugsweise zur Längenmessung im menschlichen Auge. Fig. 3 A interferometric measuring arrangement for determining the distances of layers and structures, preferably for the length measurement in the human eye.

Der Zusammenhang zwischen der Phasenänderung Δγ, die der Modulator der Lichtwelle aufprägt, und der angelegten Spannung U, ergibt sich aus der linearen Beziehung
Δγ=k·U, wobei
k von der Wellenlänge des Lichtes abhängt.The relationship between the phase change Δγ, which is impressed by the modulator of the light wave, and the applied voltage U, results from the linear relationship
Δγ = k · U, where
k depends on the wavelength of the light.

Daraus ergibt sich die maximale Spannungshub Uo der sägezahnförmigen Modulationsspannung zuThis results in the maximum voltage swing U o of the sawtooth-shaped modulation voltage

Durch Änderung des Vorzeichens des Anstiegs der modulierenden Sägezahnspannung kann das Vorzeichen der Frequenzverschiebung verändert werden.By changing the sign of the increase in the modulating sawtooth voltage the sign of the frequency shift can be changed.

Der sägezahnförmige Spannungsverlauf bewirkt über den linearen Zusammenhang zwischen Phasenhub des Modulators und der an diesem anliegenden Spannung eine geringfügige zeitproportionale Phasenverschiebung über die Dauer des Anstiegs des Sägezahns und eine größere zeitabhängige Phasenverschiebung entgegengesetzten Vorzeichens über die kurze Rücklautzeit des Sägezahns. Eine zeitproportionale Phasenverschiebung ist äquivalent zu einer Frequenzverschiebung. Eine typische Lichtfrequenz wäre ca. 4· 10¹⁴ Hz. Bei einer Modulationsfrequenz von 400 Mz bedeutet dies, daß ca. 1 Million Schwingungen der Lichtwelle in den Anstiegszeitraum des Sägezahns fallen.The sawtooth-shaped voltage curve causes a linear relationship between phase shift of the modulator and the voltage applied to it slight time-proportional phase shift over the duration of the rise of the Sawtooth and a larger time-dependent phase shift opposite Sign about the short slack time of the sawtooth. A time proportional Phase shift is equivalent to a frequency shift. A typical one Light frequency would be approx. 4 · 10¹⁴ Hz. With a modulation frequency of 400 Mz this means that about 1 million vibrations of the light wave in the rise period of the sawtooth fall.

Geht man von einem steilen Abfall des Sägezahns in beispielsweise 1/100 der Modulationsperiode to aus, so würden in diesem Zeitraum 10 000 Lichtoszillationen erfolgen.Assuming a sharp drop in the sawtooth in, for example, 1/100 of the modulation period t o , 10,000 light oscillations would occur in this period.

Bei einem linearen Rücklauf der Sägezähne, der normalerweise nur unvollkommen realisiert ist, würde dies bedeuten, daß das Licht für die entsprechend kürzere Zeit um das 100-fache weiter in die entgegengesetzte Richtungsfrequenz verschoben wird als während des Anstiegs des Sägezahns.With a linear return of the saw teeth, which is usually only imperfect is realized, this would mean that the light turns around for the correspondingly shorter time 100 times further in the opposite direction frequency than during the rise of the sawtooth.

Gleichzeitig ist dieses zweite Seitenband jedoch 100 × schwächer als das erwünschte Seitenband das um n· fo verschoben wird fo =′/to At the same time, however, this second sideband is 100 × weaker than the desired sideband which is shifted by n · f o f o = ′ / t o

Durch Überlagerung einer Gleichspannung kann ggf. die mittlere elektrische Leistungsaufnahme des Phasenmodulators minimiert werden.By superimposing a DC voltage, the average electrical voltage may be reduced Power consumption of the phase modulator can be minimized.

Die Verwendung eines integriert-optischen Phasenmodulators, der z. B. aus Lithiumniobat aufgebaut sein kann, ist hierbei besonders vorteilhaft.The use of an integrated optical phase modulator, the z. B. from Lithium niobate can be built up, is particularly advantageous here.

In Fig. 3 ist ein OCDR-Aufbau mit einem erfindungsgemäß angeordneten integriert­ optischen Phasenmodulator IOPM dargestellt.In Fig. 3 a OCDR structure is shown according to the invention is arranged integrated with an optical phase modulator IOPM.

Die Abb. 3 zeigt einen OCDR-Aufbau unter Verwendung der erfindungsgemäßen Anordnung: Das Licht einer Strahlungsquelle S mit kurzer Kohärenzlänge fällt auf einen ersten Strahlteiler ST1; ein Teil des Lichts läuft von dort auf den längs der Strahlachse verschiebbaren Spiegel MV, ein anderer Teil wird mittels einer Linse L1 in den integriert-optischen Phasenmodulator IOPM eingekoppelt und an dessen Ausgang durch eine zweite Linse L2 kollimiert; von einem festen Spiegel M reflektiert, durchläuft dies Licht die genannten Baugruppen in umgekehrter Reihenfolge. Am ersten Strahlteiler ST1 überlagern sich die Teilstrahlen und laufen zu einem zweiten Strahlteiler ST2 und durch diesen hindurch auf die Probe, die hier eine transparente Platte ist. Das an Vorder- und Rückseite der planparallelen Probe reflektierte Licht wird durch den zweiten Strahlteiler ST2 auf den Detektor D umgelenkt. Fig. 3 shows an OCDR structure using the arrangement according to the invention: The light from a radiation source S with a short coherence length falls on a first beam splitter ST1; Part of the light travels from there to the mirror MV which can be moved along the beam axis, another part is coupled into the integrated-optical phase modulator IOPM by means of a lens L1 and collimated at the output thereof by a second lens L2; reflected by a fixed mirror M, this light passes through the assemblies mentioned in reverse order. At the first beam splitter ST1, the partial beams overlap and run to a second beam splitter ST2 and through it to the sample, which is a transparent plate here. The light reflected on the front and back of the plane-parallel sample is deflected onto the detector D by the second beam splitter ST2.

Entspricht nun beim Verschieben von MV die Differenz der optischen Weglängen in den beiden (Interferometer-)Armen vom ersten Strahlteiler ST1 zu den Spiegeln M und MV der optischen Dicke der Probe n. D, wobei n der Brechungsindex der Probe und d deren Dicke ist, so tritt auf dem Detektor eine Signalmodulation bei der Frequenz auf, die der insgesamt durch den IOPM aufgeprägten Frequenzverschiebung abzüglich der Dopplerverschiebung am bewegten Spiegel MV entspricht. Dieses Signal klingt bei Verstimmung der Weglängendifferenz über die Kohärenzlänge hinaus schnell ab.Now when moving MV corresponds to the difference of the optical path lengths in the two (interferometer) arms from the first beam splitter ST1 to the mirrors M and MV the optical thickness of the sample n. D, where n is the refractive index of the sample and d whose thickness is, a signal modulation at the frequency occurs on the detector, that of the total frequency shift impressed by the IOPM minus the Doppler shift on the moving mirror MV corresponds. This signal sounds Detuning of the path length difference quickly exceeds the coherence length.

In vielen Anwendungsfällen kann die Dopplerverschiebung auch gegenüber der Modulationsfrequenz vernachlässigt werden. Durch den doppelten Durchlauf des Lichtes verdoppelt sich die Frequenzverschiebung. Hierbei ist sicherzustellen, daß die Periode der Modulationsfrequenz groß gegen die Zeit ist, die das Licht benötigt, um den IOPM und die Strecke von dort bis zum Spiegel M zweimal zu durchlaufen. Der Spiegel M kann auch direkt auf die Chipkante des IOPM aufgebracht sein, was Modulationsfrequenzen bis zu GHz ermöglicht. In den Chip kann auch über Glasfasern ein- und ausgekoppelt werden, anstatt hierfür wie angezeigt die Stirnflächen zu nutzen. Der zweite Strahlteiler kann auch polarisierend sein, um in Verbindung mit einer Viertelwellenplatte unter 45° auf bekannte Weise eine verlustfreie Umlenkung des an der Probe reflektierten Lichtes auf den Detektor D zu erreichen.In many applications, the Doppler shift can also be compared to Modulation frequency are neglected. Through the double pass of the Light frequency doubles the frequency shift. It must be ensured that the Period of the modulation frequency is large versus the time it takes the light to to go through the IOPM and the route from there to the mirror M twice. Of the Mirror M can also be applied directly to the chip edge of the IOPM, what Modulation frequencies up to GHz possible. The chip can also have fiber optics be coupled in and out instead of using the end faces as shown. The second beam splitter can also be polarizing in order to be in connection with one Quarter wave plate at 45 ° in a known manner a lossless deflection of the the sample reflected light to reach the detector D.

Claims (12)

1. Anordnung zur Frequenzverschiebung von Licht, insbesondere in einem interferometrischen Meßsystem, mit einem im Strahlengang angeordneten Modulationselement, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrooptischer Phasenmodulator mit einem sägezahnförmigen Spannungssignal beaufschlagt wird, wobei der maximale Spannungshub Uo der Modulationsspannung 1. Arrangement for frequency shift of light, in particular in an interferometric measuring system, with a modulation element arranged in the beam path, characterized in that an electro-optical phase modulator is acted upon with a sawtooth-shaped voltage signal, the maximum voltage swing U o of the modulation voltage 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das interferometrische Meßsystem aus optischen Mitteln zur Aufspaltung des Strahlenganges in einen Meß- und einen Referenzstrahlengang sowie zur Vereinigung des im Meß- und Referenzstrahlengang reflektierten Lichtes besteht und eine Analyseeinheit zur Erfassung und Auswertung der interferometrischen Strahlen vorgesehen ist, wobei der elektrooptische Phasenmodulator im Referenzstrahlengang angeordnet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the interferometric Measuring system made of optical means for splitting the beam path into one Measuring and a reference beam path and to unite the in the measuring and Reference beam path of reflected light and an analysis unit for Detection and evaluation of the interferometric rays is provided, the electro-optical phase modulator being arranged in the reference beam path is. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Phasenmodulator im Referenzstrahlengang einer OCDR-Anordnung angeordnet ist.3. Arrangement according to claim 2, characterized in that the electro-optical Phase modulator arranged in the reference beam path of an OCDR arrangement is. 4. Anordnung nach Anspruch 1-3, gekennzeichnet durch eine Modulationsfrequenz im kHz bis GHz-Bereich.4. Arrangement according to claims 1-3, characterized by a modulation frequency in the kHz to GHz range. 5. Anordnung nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Modulationsfrequenz im Bereich von 1-100MHz.5. Arrangement according to claim 3, characterized by a modulation frequency in Range from 1-100MHz. 6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-5, gekennzeichnet durch die Verwendung eines integriert-optischen Modulators. 6. Arrangement according to one of claims 1-5, characterized by the Use of an integrated optical modulator.   7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrooptische Modulator von der Referenzstrahlung zweimal durchlaufen wird.7. Arrangement according to one of claims 1-6, characterized in that the electro-optical modulator is passed through twice by the reference radiation. 8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem integriert-optischen Modulator die Reflektorfläche des Referenzstrahlenganges des Interferometers auf der Chipfläche angeordnet ist.8. Arrangement according to one of claims 1-7, characterized in that at an integrated optical modulator the reflector surface of the Reference beam path of the interferometer is arranged on the chip surface. 9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine Chipkante zur Reflexion verspiegelt ist.9. Arrangement according to claim 8, characterized in that a chip edge for Reflection is mirrored. 10. Anordnung nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß mittels der Analyseeinheit eine log- in Detektion des Detektorsignals bezüglich der Modulationsfrequenz erfolgt.10. Arrangement according to one of claims 1-9, characterized in that by means a log-in detection of the detector signal with respect to the analysis unit Modulation frequency takes place. 11. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskopplung in den integriert-optischen Modulator über Linsensysteme erfolgt.11. Arrangement according to one of claims 6-10, characterized in that the Coupling and decoupling into the integrated optical modulator via lens systems he follows. 12. Anordnung nach einem der Ansprüche 6-11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ein- und Auskopplung über Lichtleiter erfolgt.12. Arrangement according to one of claims 6-11, characterized in that the Coupling and decoupling takes place via light guides.
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