DE4429748A1 - Interferometer und Verfahren zum Messen und Stabilisieren der Wellenlänge des von einer Laserdiode emittierten Lichts - Google Patents

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 I_o 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 I_e 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 I_m beaufschlagt. Ein der Intensität I_m 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 I_e 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·I_e·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 I_e 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 I_m des das Photoelement beaufschlagenden Lichts der Intensität I_e 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.