DE4429748A1 - Interferometer und Verfahren zum Messen und Stabilisieren der Wellenlänge des von einer Laserdiode emittierten Lichts - Google Patents
Interferometer und Verfahren zum Messen und Stabilisieren der Wellenlänge des von einer Laserdiode emittierten LichtsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Interferometer, dessen
elektrisches Ausgangssignal dem echten Wert der Wellenlänge
des von einer Laserdiode emittierten Lichts entspricht, und
welches für verschiedene mit einer Laserdiode arbeitende op
tische Systeme verwendbar ist, insbesondere in solchen Sys
temen, in denen der genannte echte Wert stabilisiert und/oder
gemessen werden soll.
Laserdioden werden vielfach als Emissionsquelle von mono
chromatischem Licht verwendet, wobei im hinteren Teil des
Laserkopfs gewöhnlich ein Photoelement angeordnet ist, welches
die in Abhängigkeit von der Temperatur der Laserdiode variable
und von deren Alterung abhängige Intensität des emittierten
Lichts fortlaufend ermittelt, um diese über den die Strom
speisung der Laserdiode steuernden Treiberkreis möglichst kon
stant zu halten. Ungeachtet der Einrichtungen zum Überwachen
der Temperatur und der Lichtintensität, mit denen ein Laser
kopf versehen ist, variiert die Wellenlänge oder "Lambda" des
emittierten Lichts in Abhängigkeit von der Temperatur, der
Stromspeisung und dem Grad der Alterung der Laserdiode.
Bei mit einer Laserdiode arbeitenden optischen Systemen, von
denen eine hohe Präzision gefordert ist, ist es daher notwen
dig, den echten Wert von Lambda zu kennen, insbesondere in
Interferometersystemen zum Messen von Entfernungen oder Längs
verschiebungen. Zum Messen und/oder Stabilisieren von Lambda
sind in solchen Systemen Hilfs-Interferometer nach Michelson
oder Mach-Zender vorgesehen, wie z. B. in DE-PS 39 30 273
(HELIOS), DD-PS 2 92 695 (JENOPTIK ZEISS), WO 91/02214 (MICRO-
CONTROLE) und US-PS 4 900 151 (HOMMELWERKE) beschrieben. Diese
Interferometer arbeiten mit einem Teil des von der Laserdiode
emittierten Strahlenbündels, welcher mittels eines im Strah
lengang des Hauptlichtbündels angeordneten Strahlteilers ab
gezweigt wird.
Bei den in den genannten Patentschriften beschriebenen Sys
temen erzeugt der zum Messen und/oder Stabilisieren von Lambda
vorgesehene Hilfs-Interferometer das Interferenzfeld durch
Kombination zweier Strahlenbündel, welche entlang getrennten
optischen Linien verlaufen.
Nachdem auf diese Weise mittels des Hilfs-Interferometers die
Interferenz der beiden Strahlenbündel ermittelt wurde, wird
die Lichtintensität des Interferenzfelds mittels Photodioden
in ein elektrisches Signal umgewandelt, welches der Licht
intensität sowie cos² der Relation zwischen der bekannten
Differenz der Strahlengänge und Lambdy proportional ist.
Dieses Signal wird zur Stabilisierung von Lambda an die Laser
diode gelegt (DE 39 30 273 (HELIOS), US 5 172 185 (TABARELLI))
oder es wird zur Berechnung eines Bezugswerts für Lambda zur
Messung einer Verschiebung mittels des Haupt-Interferometers
verwendet (WO 91/02214).
Die durch die vorliegende Erfindung vorgeschlagene Interfero
meteranordnung für die fortlaufende Messung des Werts von
Lambda weist ein einziges optisches Element auf, welches
direkt im Strahlengang des von der Laserdiode emittierten
Strahlenbündels angeordnet ist und unmittelbar ein Inter
ferenzfeld erzeugt, dessen Lichtintensität von einer Photo
diode gemessen wird.
Dank ihrer baulichen Einfachheit bietet die erfindungsgemäße
Interferometeranordnung beträchtliche wirtschaftliche Vorteile
gegenüber bekannten Interferometeranordnungen, welche zusätz
lich zu dem die beiden Meßstrahlen kombinierenden und damit
das Interferenzfeld erzeugenden optischen Element wenigstens
einen Strahlteiler im Strahlengang des von der Laserdiode
emittierten Lichts und einen die Meßstrahlen reflektierenden
Spiegel benötigen.
Da das erfindungsgemäße Interferometer direkt im Strahlengang
des von der Laserdiode emittierten Lichts angeordnet ist,
zweigt es nur einen kleinen Anteil der Lichtintensität für die
Erzeugung des Interferenzfelds ab und läßt den größten Teil
des Lichts zum Hauptteil des optischen Systems durch. Da die
Intensität des die Photodiode der zur Messung von Lambda
dienenden Anordnung beaufschlagenden Lichts stets von der
Intensität des emittierten Laserstrahls abhängig ist, muß das
Meßelement des Hauptsystems mit Einrichtungen für die fortlau
fende Bestimmung eines auf die Intensität des emittierten
Strahlenbündels bezogenen Koeffizienten versehen sein, wobei
dieser Wert von der durch das Photoelement des Laserkopfs
ermittelten Lichtintensität abgeleitet werden kann.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein in Abhängig
keit von dem Photoelement von dem Meßelement erzeugtes Signal
zur Stabilisierung von Lambda an den Treiberkreis der Laser
diode gelegt werden.
Die erfindungsgemäße Interferometeranordnung umfaßt
- - ein einziges optisches Element, etwa in Form einer massiven Scheibe, mit zwei parallelen Flächen, welches direkt im Strah lengang einer Licht emittierenden Laserdiode angeordnet ist, so daß es den größten Teil des Strahlenbündels zum Hauptteil des optischen Systems durchläßt und aus einem kleinen Teil des Strahlenbündels ein Interferenzfeld erzeugt, dessen Intensität der zu messenden Wellenlänge des Laserstrahlenbündels propor tional ist; und
- - eine zur Beaufschlagung durch das Interferenzfeld in bekannter Weise angeordnete Photodiode mit einer zugeordneten elektrischen Schaltungsanordnung zum Erzeugen eines elek trischen Signals, dessen Wert der Lichtintensität des Inter ferenzfelds entspricht.
Das das wesentliche Merkmal der Erfindung darstellende einzige
optische Element kann, wie nachstehend beschrieben, in ver
schiedener Weise ausgeführt sein, um durch partielle Reflexion
oder partielle Brechung des emittierten Strahlenbündels
ein Interferenzfeld zwischen parallelen Strahlenbündeln zu
erzeugen.
Im folgenden sind Ausführungsbeispiele des Erfindung anhand
der Zeichnung erläutert. Es zeigen
Fig. 1 eine schematisierte Darstellung einer Interferometer
anordnung zum Messen von Längsverschiebungen, mit einer
Hilfseinrichtung zum Messen der Wellenlänge Lambda,
Fig. 2 eine Ausführungsform der im Strahlengang des zu messen
den Laserstrahls angeordneten Hilfseinrichtung,
Fig. 3 eine andere Ausführungsform der Hilfseinrichtung mit
zwei durch einen Luftspalt getrennten, parallelen
Scheiben, und
Fig. 4 eine Ausführungsform der Hilfseinrichtung mit zwei
zueinander parallelen Brechungsgittern.
In Fig. 1 ist eine Interferometer-Hilfseinrichtung 1 im
Strahlengang des von einer Laserdiode 2 emittierten Strahlen
bündels 11 derart angeordnet, daß sie ein Strahlenbündel 12
der Intensität Io zum Hauptteil eines optischen Systems durch
läßt. Im beschriebenen Beispiel ist die Interferometer-Hilfs
einrichtung 1 zum Messen der Wellenlänge Lambda einem herkömm
lichen Interferometer 4 zum Messen von Längsverschiebungen
oder Positionen in einer mit einem Rechner 5 arbeitenden Werk
zeugmaschine zugeordnet.
Der die Licht emittierende Laserdiode speisende Strom ist
über einen Treiberkreis gesteuert, um die Intensität Ie des
emittierten Lichts möglichst auf dem Sollwert zu halten. Eine
zu diesem Zweck der Laserdiode zugeordnete (nicht dargestellte)
Meß-Photodiode ist von Licht der Intensität Im beaufschlagt.
Ein der Intensität Im entsprechendes elektrisches Signal 3
wird dem Rechner 5 zugeführt, um bei der Berechnung der Wellen
länge Lambda die Abhängigkeit der Intensität des Interferenz
felds von der Intensität Ie des emittierten Lichts zu kompen
sieren.
Die Interferometer-Hilfseinrichtung 1 erzeugt durch die Kom
bination zweier Strahlenbündel 13, 14 ein Interferenzfeld der
Lichtintensität I, welches ein Photoelement 10 beaufschlagt.
Dieses erzeugt ein elektrisches Signal 16 von einem der Inten
sität I entsprechenden Wert A, welches für die Messung und
Berechnung der Wellenlänge Lambda dem Rechner 5 des Systems
zugeführt wird. In einer Ausführungsform der Erfindung kann
ein durch den Rechner 5 vom Ausgangssignal des Photoelements
10 abgeleitetes, einen Wert A′ aufweisendes Signal 17 zur
Stabilisierung der Wellenlänge Lambda an den Treiberkreis 7
gelegt werden.
Eine in Fig. 1 gezeigte bevorzugte Ausführungsform der Inter
ferometer-Hilfseinrichtung ist im einzelnen in Fig. 2 darge
stellt. Eine Scheibe 9 mit planparallelen Oberflächen 9a, 9b
erzeugt aus der Kombination zweier Strahlenbündel 13, 14 ein
Interferenzfeld 15, wobei das erste Strahlenbündel 13 durch
Reflexion an der Vorderseite 9a und das zweite Strahlenbündel
14 durch Reflexion an der Rückseite 9b der Scheibe 9 erzeugt
wird. Um die beiden Strahlenbündel 13, 14 erzeugen und gleich
zeitig ein den größeren Teil des emittierten Strahlenbündels
11 darstellendes Strahlenbündel 12 durchlassen zu können, hat
die Scheibe 9 keinerlei Beschichtung und ist aus einem Glas
gefertigt, dessen Wärmedehnungskoeffizient und Brechungsindex
in Abhängigkeit von der Temperatur variabel sind, so daß das
Produkt "nd" aus dem Brechungsindex "n" des Glases und der
Stärke "d" der Scheibe in vorhersehbarer Weise in Abhängigkeit
von der Temperatur variiert, um für die Messung des echten
Werts von Lambda einen Lambda-Wärmekoeffizienten mit dem
Wert Null oder auch mit einem vorbestimmten Wert zu erhalten,
welcher z. B. auf ein in einer Werkzeugmaschine zu bearbeiten
des Material bezogen ist, wenn ein korrigierter Wert für
Lambda gemessen werden soll, wobei dann die Messungen auf eine
vorbestimmte "Normaltemperatur" bezogen sein können.
Die Differenz D der Längen der Strahlengänge der beiden Strah
lenbündel 13 und 14 ist auf das Innere der Hilfseinrichtung 1
beschränkt, so daß ihre Größe allein von den physikalischen
Eigenschaften der Scheibe 9 und ihrer Ausrichtung α im Haupt
system abhängig ist. Dabei ist D dann ein konstanter Faktor in
der Formel I = R·Ie·cos² ((2/lambda)D) für die Berechnung von
Lambda. Der Wert A des Ausgangssignals 16 des Photoelements
ist abhängig von Lambda und Ie, wobei R eine auf die Reflex
ionskraft der Scheibe 9 bezogene Konstante ist. Der Rechner 5
berechnet die Größe von Lambda unabhängig von der Intensität
Ie des von der Laserdiode emittierten Lichts durch Verwendung
eines relativen Werts des Ausgangssignals 16 des Photoelements,
welcher durch Division seines Werts A durch den Wert des Aus
gangssignals 3 des der Laserdiode zugeordneten Photoelements
erhalten wird, entsprechend der Vorgabe, daß die Intensität Im
des das Photoelement beaufschlagenden Lichts der Intensität Ie
des emittierten Strahlenbündels 11 proportional ist.
Der so erhaltene Wert für Lambda wird vom Haupt-Interferometer
4 für die Messung von Verschiebungen oder gegebenenfalls in
einem anderen zugeordneten optischen System verwendet.
Fig. 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der Hilfs
einrichtung 1, welche ebenfalls mit partieller Reflexion
arbeitet. Das Strahlteilerelement 6 ist hier aus zwei plan
parallelen Scheiben zusammengesetzt, namentlich einer vorderen
Scheibe 6a und einer hinteren Scheibe 6b, welche über aus dem
gleichen Material gefertigte Abstandhalter 19 miteinander ver
bunden sind, so daß sie einen freien Raum 18 begrenzen, wel
cher von der auch das Haupt-Interferometer 4 umgebenden Luft
ausgefüllt ist. Sowohl die planparallelen Scheiben als auch
die Abstandhalter sind aus einem Glas gefertigt, welches die
gleichen Eigenschaften hat wie in der ersten Ausführungsform.
Die den Zwischenraum 18 ausfüllende Luft bewirkt in dem Ele
ment 6 die gleichen Änderungen der Temperatur, des Brechungs
index und der optischen Durchlässigkeit wie sie im Haupt-
Interferometer auftreten, so daß die Messung weitgehend unab
hängig von Umwelteinflüssen und dadurch genauer ist als in der
ersten Ausführungsform. Falls der Zwischenraum 18 anstatt mit
Luft mit einem anderen die Scheiben auf Abstand haltenden
Stoff gefüllt ist, ergibt sich für Lambda ein Wärmekoeffizient
gleich dem des den Zwischenraum ausfüllenden Stoffs.
Bei der in der zweiten Ausführungsform verwendeten Doppel
scheibe 6 entsteht das Interferenzfeld zwischen den von den
Innenflächen der beiden Scheiben reflektierten Strahlenbündeln.
Um dies zu gewährleisten, sind die Außenflächen der beiden
Scheiben 6a und 6b mit einem Antireflexbelag versehen.
Fig. 4 zeigt eine dritte Ausführungsform des Hilfs-Interfero
meters 1, in welcher die Strahlteilung nicht, wie in den
ersten beiden Ausführungsformen, durch partielle Reflexion
erfolgt, sondern mit Hilfe von Brechungsgittern bewerkstelligt
ist. Das Strahlteilerelement 8 setzt sich hier aus zwei in
gegenseitigem Parallelabstand angeordneten Brechungsgittern
zusammen, namentlich einem vorderen und einem hinteren Bre
chungsgitter 8a bzw. 8b, jeweils mit parallelen und gleich
beabstandeten Gitterlinien, welche jeweils beispielsweise auf
eine Seite einer als Abstandhalter dienenden Glasscheibe auf
gedruckt sind.
Das emittierte Strahlenbündel 11 erfährt im vorderen- Brechungs
gitter 8a eine erste Brechung und wird dabei in die Komponenten
-1, 0 und +1 zerlegt, wobei die jeweilige Komponente 0 im
hinteren Brechungsgitter 8b eine erneute Brechung erfährt. Die
sich dabei ergebenden Strahlenbündel (-1, 0) und (0, -1) sowie
(+1, 0) und (0, +1) erzeugen jeweils ein Interferenzfeld, wäh
rend die Hauptkomponente (0, 0 von der Vorrichtung 1 durchge
lassen wird und das Haupt-Interferometer 4 beaufschlagt.
Die Lichtstärke jedes der beiden Interferenzfelder wird von
diesen zugeordneten Photoelementen 10a, 10b in entsprechende
elektrische Signale mit dem Wert A₁ bzw. A₂ umgewandelt. Durch
antiparallele Kombination der beiden Signale ergibt sich,
anders als bei den ersten beiden Ausführungsformen, ein elek
trisches Signal, welches aufgrund seiner Kosinusfunktion einen
Nulldurchgang aufweist und zur Stabilisierung der Wellenlänge
ebenfalls an den Treiberkreis der Laserdiode gelegt werden
kann.
Mit den beiden Brechungsgittern 8a, 8b der dritten Ausführungs
form ist ein günstigerer Signal/Rauschabstand erzielbar als in
den beiden anderen Ausführungsformen, und damit auch eine
größere Präzision. Dadurch ist es möglich, die Dichte der
Brechungsgitter zu begrenzen und sie der jeweils erforder
lichen Meßgenauigkeit anzupassen.
Claims (5)
1. Interferometeranordnung zum Messen und Stabilisieren
der Wellenlänge eines von einer Laserdiode eines optischen
Systems emittierten Strahlenbündels, mit Einrichtungen für die
Gewinnung einer Kombination von Strahlenbündeln zum Erzeugen
eines Interferenzfelds, dessen Lichtintensität von der Wellen
länge abhängig ist, und mit einer Photodiode zum Erzeugen
eines der Lichtintensität entsprechenden elektrischen Signals,
dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges optisches Element (9)
in einer vorbestimmten festen Stellung direkt im Strahlengang
des emittierten Strahlenbündels (11) angeordnet ist, daß die
Strahlenbündel (13, 14) für die Erzeugung des Interferenzfelds
von dem einen optischen Element erzeugbar sind, und daß sich
die Differenz der von den Strahlenbündeln zurückgelegten Weg
strecken allein im Inneren des optischen Elements ergibt.
2. Interferometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das einzige optische Element (1) eine
eine vorbestimmte Stärke aufweisende und von Beschichtungen
freie Scheibe (9) mit planparallelen Oberflächen (9a, 9b)
aufweist, und daß die Strahlenbündel (13, 14) für die Erzeu
gung des Interferenzfelds durch partielle Reflexion des von
der Laserdiode emittierten Strahlenbündels (11) an den beiden
Oberflächen (9a, 9b) erzeugbar sind.
3. Interferometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das einzige optische Element (1) aus
zwei planparallele Oberflächen aufweisenden Scheiben (6a, 6b)
zusammengesetzt ist, deren äußere Oberflächen mit einem Anti
reflexbelag versehen sind, und welche durch einen Luftspalt
(18) voneinander getrennt sind, so daß die zwei Strahlenbündel
(13, 14) für die Erzeugung des Interferenzfelds durch parti
elle Reflexion des von der Laserdiode emittierten Strahlen
bündels (11) an den Innenflächen der beiden Scheiben (6a, 6b)
erzeugbar sind.
4. Interferometeranordnung nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß das einzige optische Element zwei in einem
vorbestimmten Abstand parallel zueinander angeordnete Bre
chungsgitter (8a, 8b) mit parallelen und gleich beabstandeten
Gitterlinien aufweist, und daß die Strahlenbündel für die
Erzeugung des Interferenzfelds durch partielle Brechung des
von der Laserdiode emittierten Strahlenbündels (11) an den
beiden Brechungsgittern erzeugbar sind.
5. Verfahren zum Messen und Stabilisieren der Wellenlänge
eines von einer Laserdiode eines optischen Systems emittierten
Strahlenbündels mittels einer Interferometeranordnung nach
Anspruch 1, bei welchem das die Interferometeranordnung ein
beziehende optische System mit Einrichtungen (3, 5) zum Messen
der Lichtstärke des von der Laserdiode emittierten Strahlen
bündels (11) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die
Differenz der von den Strahlenbündeln (13, 14) für die Erzeu
gung des Interferenzfelds zurückzulegenden Wegstrecken durch
das einzige optische Element (9, 6, 8) bestimmt und vorgegeben
ist, so daß sich die Wellenlänge des emittierten Strahlen
bündels (11) durch alleinige Messung der Intensität des von
dem optischen Element erzeugten Interferenzfelds (15) unter
Zuhilfenahme eines der Lichtstärke des emittierten Strahlen
bündels (11) entsprechenden elektrischen Signals (3) bestimmen
läßt.
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US8416387B2 (en) | 2008-10-24 | 2013-04-09 | Canon Kabushiki Kaisha | Wavelength shift measuring apparatus, optical source apparatus, interference measuring apparatus, exposure apparatus, and device manufacturing method |
Also Published As
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