DE1572713B2

DE1572713B2 - Laser interferometer

Info

Publication number: DE1572713B2
Application number: DE19671572713
Authority: DE
Inventors: Kent E. Ridgewood N.J. Erickson (V.StA.)
Original assignee: Keuffel & Esser Co., Hoboken, N.J. (V.StA.)
Priority date: 1966-12-30
Filing date: 1967-12-28
Publication date: 1971-12-02
Also published as: GB1210930A; DE1572713A1; NL150226B; FR1549111A; US3601490A; NL6717713A; SE330446B; CH486003A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Interferometer mit einer meters mit einem Mitteldurchgangsretrorefiektor eine Laserlichtquelle für einen primären, kohärenten deutliche Schwierigkeit auf Grund der Eigenschaften Lichtstrahl, einem polarisierenden Strahlenteiler zur der Laserstrahlgeneratoren. Ein retroreflektierter Aufteilung des aus dem Laser kommenden Licht- Laserstrahl kann seinen Weg zu dem Laserresonator Strahls in einen ersten und einen zweiten Sekundär- 5 zurückfinden, da das Austreten und Wiederkehren komponentenstrahl, einer Einrichtung zur Verände- gleichzeitig erfolgen. Als Ergebnis tritt innerhalb des rung der Phase zwischen dem ersten und zweiten Resonators eine Interferenz auf und stört das Ar-Strahl, einer Einrichtung zum Umlenken des ersten beiten der Laservorrichtung wesentlich.
und zweiten Strahls zu einer gemeinsamen Stelle auf Dieses Problem hat bisher den Aufbau eines völlig dem Strahlenteiler, wo sie zu einem zusammenge- io zufriedenstellenden Einzeldurchgangs-Laserinterferosetzten Strahl mit einem resultierenden Poincare- meters mit Retroreflektor verhindert.
Vektor vereinigt werden, dessen Orientierung eine Seit langem besteht der Wunsch, die Bewegungs-Funktion der Phasenbeziehung zwischen dem ersten richtung innerhalb eines Interferometers zu unter- und zweiten Strahl ist. scheiden. Es sind Methoden zur Differenzierung ge-

Die Erscheinung von Interferenzrändern wurde 15 richteter Bewegungen in der Ringzähltechnik vorge-

seit langem als wirksames Mittel zur Bestimmung der schlagen worden, und die Phasenvergleichstechnik,

Wellenlänge der Lichtquelle erkannt und hat in ahn- welche zwei um 90° Phasen verschobene Signale ver-

licher Weise in hochempfindlichen Abstandsmeßge- wendet und von Peck und Obetz, J. Optic Soc.

raten Verwendung gefunden. Das Michelson-Inter- Am., Bd. 43. Nr. 6505 (1953), beschrieben wird,

ferometer ist ein Beispiel für solch eine Meßvorrich- 20 sieht eine wirksame Richtungsbestimmung bei ring-

tung, welche prinzipiell auf dem Vergleich der Licht- zählenden und Entfernung messenden Interferome-

wellenlänge mit der mechanischen Versetzung einer tern vor. Der Artikel von Peck und Obetz zeigt

optischen Komponente beruht, welche im Lichtweg zusätzlich die Verwendung von binären Zählern,

einer Komponente eines projezierten Lichtstrahles welche zu direkter digitaler Auslesung geeignet sind,

liegt. 25 Ein reversibles Zählinterferometer mit Zweipha-

Verschiedene Interferometer sind bekannt, deren senvergleich wird in der USA.-Patentschrift 2 604 004 Funktion auf dem Zählen von Interferenzringen be- gezeigt. Getrennte Teile der Interferenzstrahlen werruht, welche während der Bewegung eines mechani- den mechanisch versetzt, um Ringe zu erzeugen, sehen Bauteiles eines Instrumentes auftreten. Durch welche in den jeweiligen Teilen außer Phase sind, eine geeignete Schaltung wird die Anzahl der Ringe 30 Die von den Ringen während der Bewegung des gezählt und der Abstand als eine Funktion der WeI- Meßelementes herrührenden Signale sind in ähnlicher lenlänge der besonderen, verwendeten Lichtquelle Weise außer Phase und bilden die Basis für ein »Verbestimmt. Ein durch den Meßreflektor bewegtes zögerungs- oder Führungs«-System der Richtungs-Stück kann unmittelbar von einer besonderen An- erfassung in Zählvorrichtungen. Ein ähnliches Dreiordnung von Ringen zu bequemen Meßeinheiten um- 35 phasensystem für zunehmende Mehrfachringzählungeformt werden. Die praktische Anwendung von gen wird in der USA.-Patentschrift 3127 465 be-Interferometern bei der Abstandsmessung wurde in schrieben.

der Vergangenheit durch die Verwendung von räum- Die Empfindlichkeit solcher einfachen Phasenverlichen Winkelreflektoren verbessert, um die mecha- gleichsinterferometer auf Signalfehler, welche von nische Einstellung innerhalb eines Gerätes zu verein- 40 Speiseschwankungen, Lichtpegel und ähnlichem herfachen; jedoch haben die mehreren entsprechenden rühren, sind bekannt, und dagegen wird in der USA.-Wege auf Grund der atmosphärischen Beugung usw. Patentschrift 3 271676 ein Mittel vorgeschlagen, Diskrepanzen hervorgerufen. Beispielsweise führt das welches auf differenzierten Signalen beruht, um die Umlenken der Wellenfronten infolge der Brechung Gleichspannungskomponenten zu entfernen. Durch zu schwächeren Interferenzringen, als sie optimal 45 eine derartige Differentiation wird ein Signalpaar herdurch Parallelwellenfronten erreicht werden. Mehr- geleitet, welches in richtungsempfindlichen Zählern fachdurchgangs-Interferometer dieser Art gestatten verwendet werden kann.

eine genauere Messung, setzen allerdings die Meßge- Diese vorstehend erwähnten Einrichtungen leiten

schwindigkeit wesentlich herab. die Vergleichssignale von getrennten Teilen der ent-

Andererseits sieht die Einzeldurchgangsanordnung so sprechenden Lichtstrahlen her, und folglich beruhen eines Interferometers eine schnellere Versetzung des die Interferenzsignale nicht auf phasendifferenzierten beweglichen Meßelementes vor, gestattet aber nicht Ringen eines einzigen Meßstrahles, sondern auf Rinso feine Meßinkremente, wie dies bei der Mehrfach- gen von mehreren bestimmten optischen Strahlen durchgangsanordnung der Fall ist. Während solche innerhalb des besonderen Interferometersystems. Da, Einzeldurchgangs-Interferometer bei seitlicher Ver- 55 insbesondere bei der Messung langer Abstände, jeder setzung der optischen Elemente der Vorrichtung dieser bestimmten Wege notwendigerweise getrennfehleranfälliger sind, sind sie bei weitem weniger ten räumlichen Wegen zugeordnet ist, führten verempfindlich in bezug auf atmosphärische Störungen, schiedene atmosphärische Bestrahlungen unbekannte als es die Mehrfachdurchgangsinstrumente sind. Bedingungen ein, welche die getreue Darstellung der

Die Verwendung von Laserstrahlgeneratoren mit 60 genauen Ringformation beeinträchtigten,
ausgesuchter Frequenz hat in letzter Zeit beim Auf- Aus der USA.-Patentschrift 3 409 375 ist weiterbau von optischen Instrumenten erhöhtes Interesse hin ein Interferometer bekannt, das eine Laserlichtgefunden. Auch hat die Interferometrie aus der Ver- quelle linear polarisierten Lichtes enthält, das auf wendung von Lasern, insbesondere von Einrichtun- einen Strahlenteiler gegeben wird, welcher den aus gen mit Einzelfrequenzausgang, Nutzen gezogen; für 65 dem Laser einfallenden Lichtstrahl in einen ersten einige Zwecke war der Laserstrahlgenerator jedoch und einen zweiten Strahl aufspaltet, wobei der erste nicht völlig zufriedenstellend. Insbesondere bestand Strahl auf einen Spiegel fällt und von dort durch den bei der Anordnung eines Einzeldurchgangs-Interfero- Strahlenteiler hindurch in ein Interferenzfeld reflek-

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tiert wird. Der zweite Strahl geht durch den Strahlen- (oder reflektierende) Strahlenteiler nachfolgend die teiler hindurch, durchläuft eine doppelbrechende Strahlen reflektieren (oder durchlassen), so daß die Platte, wird an einem Retroreflektor auf dem Hinweg Rückkehr der Laserstrahlen zum Erzeugerresonator zu einem Spiegel umgelenkt, von welchem reflektiert verhindert wird. Die am Strahlenteiler wieder verder zweite Strahl vom Retroreflektor wieder zurück- 5 einigten Referenz- und Meßstrahlen bilden daher gelenkt, durch die doppelbrechende Platte zurückge- einen zusammengesetzten Strahl, welcher einen releitet und am Strahlenteiler in das obengenannte sultierenden Poincare-Vektor aufweist, der in einer Interferenzfeld reflektiert wird. Die doppelbrechende Ebene senkrecht zu den antiparallelen Poincare-Vek-Platte und der Retroreflektor in Zusammenwirken toren der Strahlkomponenten liegt. Da der Azimut mit den Spiegeln und üblichen Einheiten werden so io des resultierenden Vektors einen vollen Kreis bei ausgebildet, daß die gesamte Phasendifferenz 90^σ dem Phasenwechsel durchschreitet, welcher von der beträgt, so daß sich im Interferenzfeld zwei linear Bewegung der Interferometer-Meßkomponente herpolarisierte Strahlkomponenten befinden, deren rührt, erzeugen mehrere polarisierende Elemente, Schwingungsebenen senkrecht zueinander liegen. Mit welche in dem zusammengesetzten Strahl angeordnet den Begriffen des Poincare-Vektors ausgedrückt be- 15 sind, optisch unterscheidbare Randsignale, Ringe deutet dies, daß der Poincare-Vektor dieser Strahl- oder Streifen, welche an ausgewählten Azimutpunkkomponenten in der Äquatorialebene, beispielsweise ten des Vektorkreises Minimalwerte aufweisen. Eine in Ost-West-Richtung, verläuft. Vielzahl von signalzählenden Bauteilen erstellen

Die genannten Strahlen des bekannten Interfero- mehrere elektronische Phasensignale, welche diffemeters gelangen dann in ein Wollaston-Prisma und 20 renziert werden können, um die Gleichspannungsbewerden durch eine Fotozellen aufweisende Detektor- standteile zu entfernen und Signale zu erstellen, welanordnung aufgezeichnet. Nachteilig bei dem be- ehe in reversiblen Auslesevorrichtungen verwendet kannten Interferometer ist die Verwendung von nur werden können.

zwei Signalen, die sich in der Phasendifferenz, wie Das Prinzip der Erfindung beruht auf der Art und

oben beschrieben, unterscheiden. Um Gleichstrom- 25 Weise der Orientierung der Polarisation der Lichtkomponenten, welche das System auf Intensitäts- strahlen, so daß sie in der weiter unten beschriebeschwankungen sehr empfindlich machen, z. B. nen Weise und in der ausführlich dargelegten VorSchwankungen der Lichtquelle oder »photonisches richtung analysiert werden können. Insbesondere soll Rauschen« zu eliminieren, sind die bekannten Inter- der Poincare-Vektor in die Nord-Süd-Anordnung geferometer auf sehr komplizierte integrierte Schaltun- 30 bracht werden. Aus diesem Grunde müssen die aus gen angewiesen — oder auch auf Ultrahochfrequenz- dem Strahlenteiler austretenden Strahlen mit allen lichtbestrahlung—, die nicht nur bei der Herstellung, ihren Komponenten vor Eintritt in die Detektoransondern auch beim Betrieb unwirtschaftlich, störan- Ordnung insgesamt durch ein ungeradzahliges Vielfällig und von geringerer Lebensdauer sind. Eine in faches von A/4-Platten hindurchgetreten sein, da diese der USA.-Patentschrift 3 409 375 vorgeschlagene 35 bekanntlich aus dem linear polarisierten Licht, dar-Kerr-Zelle zur Erzeugung des hochfrequenten Licht- gestellt durch die Ost-West-Richtung des Poincarestrahles vereinfacht die Anlage durchaus nicht. Vektors, zirkulär polarisiertes Licht macht.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erin der Schaffung eines Interferometers der eingangs findung wird dies dadurch erreicht, daß der polarigenannten Art mit einem hohen Auflösungsvermö- 40 sierende Strahlenteiler und -vereiniger auf der dem gen, auch in großen Abständen, welches gegenüber Laser zugewandten Seite eine Halbwellenplatte, auf atmosphärischen Störungen nur noch eine geringe der gegenüberliegenden Seite eine Λ/4-Platte und auf Empfindlichkeit aufweist, ohne daß ein hoher elek- der hierzu senkrechten Seite je eine A/4-Platte sowie ironischer oder apparativer Aufwand erforderlich ist, einen diagonal angeordneten polarisierenden Strahlmit direkter Auslesemessung und einem hohen opti- 45 spalier aufweist. Durch die erfindungsgemäße Koinschen Wirkungsgrad. zidenz des Strahlenwegs wird der Meßstrahl des In-

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, terferometers denselben atmosphärischen Störungen daß der polarisierende Strahlenteiler und -vereiniger während der Austritts- und Rückkehrdurchgänge wie so viele Halb- oder Vietelwellenplatten aufweist, daß der andere Strahl ausgesetzt. Daher wirken die Strahlder aus dem Strahlenteiler austretende Strahl mit 5° beugungen infolge solcher Störungen gegeneinander, allen seinen Komponenten zwischen Austritt aus dem und die resultierende Beugung, welche ansonsten Laser und Austritt aus dem Strahlenteiler insgesamt über lange Entfernungen beachtlich sein kann, ist durch ein ungeradzahliges Vielfaches von A/4-Platten vernachlässigbar. Die Beugung in den Strahlen des hindurchgetreten ist, und daß im Strahlengang des Interferometers wird in besonders vorteilhafter Weise zusammengesetzten Strahls eine Detektoranordnung 55 dadurch beseitigt, daß die Wellenfronten des Strahls liegt, die den polarisierten Strahl in mindestens zwei in den zurückkehrenden Durchgängen der Referenztertiäre Strahlen verschiedener Polarisationszustände und Meßstrahlen genau parallel gehalten werden, zerlegt. In vorteilhafter Weise wird die Rückkopp- Eine derartige Parallelität schafft die optimale Lage lungs-Interkavitätsinterferenz in dem Laserstrahlge- für die Bildung definierter, optischer Interferenznerator bzw. Resonator dadurch vermieden, daß der 60 ringe.

Speisestrahl an einem polarisierenden Strahlenteiler Gemäß der Erfindung hat es sich für das Elimi-

geteilt wird, um Referenz- und Meßstrahlen zu bil- nieren der atmosphärischen Störungen als besonders den, welche mit antiparallelen Poincare-Vektoren vorteilhaft erwiesen, wenn die Detektoranordnung polarisiert sind. Die Doppelbrechungselemente, wel- nahezu in der gesamten Öffnung des zusammengeche im optischen Weg der polarisierten Strahlen an- 65 setzten Strahles angeordnet ist und wenn jeder der geordnet sind, drehen die Vektoren der Strahlen und tertiären Strahlen den gesamten Querschnitt des zuerzeugen in ihnen eine Gegenpolarität. Als Ergebnis sammengesetzten Strahls einnimmt. Besonders zweckwird der ursprünglich die Strahlen durchlassende mäßig ist die Erfindung dadurch weiter ausgestaltet,

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daß die Detektoranordnung bezüglich der gesamten F i g. 2 einen Schnitt durch die Detektoranordnung

öffnung des zusammengesetzten Strahls angeordnete entlang den Linien 2-2,

Polarisationseinrichtungen aufweist, die auf Grund Fig. 3 eine schematische Zeichnung eines Schal-

der Orientierung des resultierenden Vektors die ter- tungstyps in einer Ringzähleranordnüng,
tiaren Strahlen bilden, die durch eine Intensität 5 F i g. 4 schematisch eine andere Ausführungsform

charakterisiert sind, welche von der Orientierung des eines Interferometers in einer Anordnung mit Mehr-

resültierenden Vektors und somit dem Verhältnis des fachdurchgang,

zusammengesetzten Strahles abhängt, der durch die Fig. 5 ein Diagramm der Ausgangssignale der Polarisationseinrichtungen herausgetrennt ist, sowie Detektoren des Interferometers,
ferner eine auf die Intensitätsmodulation der tertiären ίο Fig. 6 ein Diagramm der differenzierten Aus-Strahlen ansprechende Einrichtung zur Erzeugung gangssignale, wie sie in den Zähler eingegeben werelektrischer Signale entsprechend der Intensitätsmo- den, und

dulation aufweist. Eine weitere vorteilhafte Ausbil- Fig. 7 ein schematisches Diagramm eines bevor-

dung der Erfindung besteht in einer Einrichtung zur zugten Differentitionskreises für Signale.
Differenzierung zumindest zweier Paare der elektri- 15 Eine bevorzugte Ausführungsform umfaßt eine

sehen Signale, die zumindest ein Paar elektrischer Vorrichtung, in welcher die Poincare-Vektoren der

Signale ohne Gleichstromkomponente erzeugen, das Strahlen innerhalb der Vorrichtung zwischen einer

als Eingangssignale für einen reversiblen Digitalzäh- polaren Ausrichtung und einer Einstellung in der

ler verwendbar ist. Durch die Aufteilung des zu- Äquatorialebene variieren; das entspricht Licht zwisammengesetzten Strahles mit seinem in Nord-Süd- 20 sehen zirkularer und linearer Polarisation. Wie sche-

Richtung verlaufenden Poincare-Vektor ist erstmals matisch in Fig. 1 gezeigt ist, enthält die Anordnung

und in überraschender Weise die Möglichkeit gege- einen Laser 1 mit streng kohärentem, monochroma-

ben, daß mehr als zwei Strahlkomponente einem De- tischem Licht, einer Interferenzanordnung 3, welche

tektor zugeleitet werden. im Wege des Laserstrahls 12 angeordnet ist, ein

Hierbei hat es sich erfindungsgemäß als besonders 25 Teleskop 5 und eine bewegliche Retroreflektorangünstig erwiesen, wenn die Polarisationseinrichtun- Ordnung 7 mit Linse und Spiegel, wobei das Telegen derart zueinander angeordnet sind, daß die Poin- skop 5 und die Retroreflektoranordnung 7 im Wege care-Vektoren bei Azimutwinkeln von 0, 90, 180° des Meßstrahles 13 angeordnet sind, und eine Retroangeordnet sind, und eine Einrichtung zur Differen- reflektoranordnung 9 mit Linse und Spiegel, welche zierung solcher Paare von elektrischen Signalen vor- 30 im Wege 15 des Referenzstrahles angeordnet ist. Eine gesehen ist, deren Phasenmodulation um 90° diffe- Detektoranordnung 11 ist in dem wiedervereinigten riert. Strahlenweg 17 angeordnet, welcher von der Inter-

Ein weiteres Merkmal der Erfindung ist dadurch ferenzanordnung 3 ausgeht.

gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung Die Interferometer-Laserquelle 1 gibt einen ko-

elektrischer Signale mehrere getrennte fotoelektrische 35 härenten Lichtstrahl 12 ab, welcher linear polarisiert

Elemente aufweist. ist und bei dem der Poincare-Vektor in der Äqua-

Der Hauptgedanke der Erfindung, zur Analyse des torialebene liegt. Der Strahl geht durch eine schützusammengesetzten Strahles in der geeigneten Detek- zende Glasplatte 19 und anschließend durch eine toranordnung zunächst einmal den Strahlenteiler zur Halbwellenplatte 21, welche den Strahl 12 zum Teil Vorbereitung des zusammengesetzten Strahls mit 40 polar polarisiert, so daß sich ein bestimmtes Polarisaeiner ungeraden Zahl von A/4-Platten zu versehen, tionsverhältnis zwischen polar und linear polarisierkann in einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfin- tem Lichtanteil ergibt. Dieses Verhältnis wird vordung dadurch erreicht werden, daß die Einrichtung zugsweise etwa 1 :2 betragen in Hinblick auf die zur Orientierung der Poincare-Kugelvektoren der Strahlenteilung. Das bedeutet, ungefähr ein Drittel sekundären Strahlkomponenten des Zusammengesetz- 45 des Eingangsstrahles 12 wird polar polarisiert, um ten Strahles in Nord-Süd-Anordnung im gesamten als Referenzstrahl verwendet zu werden. Der auf Querschnitt des primären Strahles und/oder des zu- diese Weise polarisierte Strahl trifft auf den polarisammengesetzten Strahles und/oder des Paares se- sierenden Strahlenteiler 27, welcher so ausgerichtet kundärer Strahlen angeordnet ist. Mit anderen Wor- ist, daß er den linear polarisierten Anteil des Strahten heißt dies, daß man vor Eintritt des aus dem 5° les 12 durchläßt und den polar polarisierten Rest zur Laser kommenden linear polarisierten Strahls in den Vietelwellenlängenplatte 23 ablenkt.
Strahlenteiler vor letzteren nur eine Λ/4-Platte oder Der Meßstrahl 13 gelangt durch eine Vietelwellenjeweils eine Λ/4-Platte in den jeweiligen vom Retro- platte 29, welche mit ihrer Achse um 45° zur Ebene reflektor zum Strahlenvereiniger zurückkehrenden von F i g. 1 geneigt ist, wodurch dieser Lichtanteil in Weg des ersten und zweiten Strahles oder wiederum 55 zirkulär polarisiertes Licht umgewandelt wird. Der nur eine A/4-Platte nach Vereinigung der ersten und Meßstrahl 13 tritt aus der Interfere&zanofdnung 3 zweiten von den Retroreflektoren zurückgekehrten durch die Schutzplatte 16 aus und tritt in die TeIe-Stfahlen durch den Strahlenvereiniger angeordnet, so skopanordnung 5 ein, welche gewöhnliche negative daß die ursprünglich vom Laser kommende linear und positive Linsenelemente 8,14 enthält und· den polarisierte Polarisation auf jeden Fall vor Eintritt in 60 Strahldurchmesser von etwa 1 Millimeter auf einen die Detektoranordnung in eine zirkuläre Polarisation solchen von etwa 5 Millimeter vergrößert,
umgewandelt wird. Der Meßstrahl 13 wird in dieser Weise vergrößert,

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt die um eine zweckmäßige Unabhängigkeit von seitlicher

Zeichnung und wird im folgenden näher erläutert. Fehlausrichtung der Meßreflektoräüfhängung in be-

Es zeigt 65 zug auf den Strahl zu erreichen, ohne den Strahl über

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Inter- Gebühr empfindlich für atmosphärische Störungen

ferometers in einer Anordnung mit Einfachdurch- zu machen. Man hat herausgefunden, daß ein

gang, Instrument dieser Anordnung eine Fehlausrich-

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tung von etwa 10% des Lichtstrahldurchmessers daß die lineare Polarisierung des Meßanteils sowie

erträgt. : r' ; : . ,: . .;-:v:. des Referenzanteils in polare Polarisationen entge-

Der Meßstrahl 13 gelangt über die zu messende gengesetzter Richtung übergeführt werden. Die InEntfernung und trifft auf die Retroreflektoranord- terferenz von zwei kohärenten Strahlen mit einander ming 7, in der er durch das Linsenelement 18 auf die 5 entgegengesetzt gerichteten Poincare-Vektoren, beireflektierende ebene Oberfläche des Spiegels fokus- spielsweise entgegengesetzter Zirkularpolarisierung siert wird. Die Reflektor.anordnung 7 ist normaler- führt zu einem vereinigten Strahl linearer Polarisaweise in einem Meßkopf zur Bewegung entlang dem tion, dessen Poincare-Vektor-in der Äquatorialebene Weg des Meßstrahles durch nicht gezeigte Mittel an- liegt und dessen Polarisationsazimut von der Phasengeordnet. Der von der Anordnung 7 reflektierte Meß- io differenz zwischen den beiden interferierenden Strahstrahl kehrt mit parallelen Wellenfronten zu den aus- len abhängt. Diese Phasendifferenz wird ihrerseits tretenden Wellenfronten entlang desselben, Ursprung- durch die Anordnung des Retroreflektors 7 bestimmt, lieh genommenen Weges beim Durchgang durch das beispielsweise durch die Länge des Strahls 13. Der Teleskop zurück und gelangt wieder zu der Viertel- resultierende Poincare-Vektor des zusammengesetzwellenplatte 29, durch die seine zirkuläre Polarisa- 15 ten Strahls durchquert daher, wie ersichtlich ist, die tion in lineare Polarisation verändert wird; folglich vollen 360° des Azimuts in seiner Ebene bei jedem ist der Poincare-Vektor des Strahls durch den dop- Wellenlängeninkrement des Strahls 13. Obwohl die pelten Durchgang durch die Viertelwellenplatte 29 ge- Gleichheit der Strahlintensität nicht in allen Beigenüber seiner ursprünglichen Schwingungsrichtung spielsfällen erreicht werden wird, berühren solche gedreht worden, und zwar beträgt die Drehung 90°. 20 Intensitätsabweichungen nicht den prinzipiellen Beinfolge dieser Polarisationsänderung wird der Meß- trieb und werden darüber hinaus in einer später bestrahl im wesentlichen vollständig durch den polari- schriebenen Weise kompensiert. Der zusammengesierenden Strahlenteiler 27 reflektiert, und es kann setzte Strahl 17 mit resultierender linearer Polarisiepraktisch kein Licht in das Lasersystem zurückge- rung gelangt dann zu der Detektoranordnung 11.
langen, in dem es die Erzeugung des Strahles 12 25 Die Detektoranordnung 11 umfaßt ein Paar von stören würde. polarisierenden Strahlenteilern 34, 39 und eine ebene

Der polarisierende Strahlenteiler ist in der her- polarisierende Platte 38, welche senkrecht zur optikömmlichen Weise aufgebaut und weist ein Reflek- sehen Achse des Strahls 17 angeordnet ist. Die polationsverhalten von r_s = 97,5 °/o und r_v = 0,5 % auf. risierenden Strahlenteiler sind so aufgebaut, daß sie In der Ausführungsform nach Fig. 1 war der Strahl- 30 näherungsweise 50% des polarisierten Lichtes respalter 27 durch eine Vakuumbeschichtung einer flektieren, wobei dessen elektrischer Vektor senk-Fläche eines Kronglasprismas (n = 1,69) mit überein- recht zur Einfallebene liegt und fast kein Licht reanderliegenden Schichten von Kryolit, Zeroxyd, Kry- flektiert wird, welches so polarisiert ist, daß dessen olit, Zeroxyd und Kryolit aufgebaut, wobei jede elektrischer Vektor parallel zur Einfallsebene liegt. Schicht eine Dicke von einer Halbwellenlänge des 35 Die strahlenteilenden Zwischenflächen der Teiler 34, Lichts in 4200 A aufweist. An die äußerste Kryolit- 39 haben ein Reflexionsvermögen von /-_s = 46% schicht war mit optischem Kodak-Kitt (n = 1,60) ein und r_p = 1,7%. Diese Teiler wurden hergestellt abgestimmtes Prisma angeheftet, um den Strahlspal- durch die Vakuumbeschichtung eines Glasprismas ter 27 zu bilden. Die doppelbrechende Halbwellen- (n = 1,51) mit einer Schicht der Dicke einer Halbplatte 21 und die Viertelwellenplatten 23,25,29 kön- 40 wellenlänge (bei 4700 A) sowohl von Magnesiumnen aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt fluorid als auch von Zeroxyd. Dieser Aufbau wurde werden. vervollständigt durch die Anlagerung eines zweiten

In der vorliegenden Ausführungsform besteht die Prismas an die Schichten mit optischem Kitt

bevorzugte Substanz aus Glimmerplättchen. (n = 1,57). Die polarisierenden Teiler 34, 39 sind

Der durch den polarisierenden Strahlenteiler27 45 zueinander angeordnet, wie aus den Fig. 1 und 2

reflektierte Teil des Eingangsstrahles 12 geht durch ersichtlich ist, so daß die Einfallsebene des Strahl-

die Viertelwellenplatte 23, welche durch die Drehung spalters 34 senkrecht zur Einfallsebene des Strahl-

des Poincare-Vektors dem Strahl eine zirkuläre Po- spalters 39 liegt. Die Polaritätsachse des linearen

larisation erteilt, und gelangt dann zu der Retrore- Polarisators 28 ist um 45° gegenüber den Einfalls-

flektoranordnung 9 und kehrt durch die Viertelwel- 50 ebenen der polarisierenden Strahlspalter 34, 39 ge-

lenplatte 23 zurück. Entsprechend dem Meßstrahl 13 neigt.

hat der Referenzstrahl 15 die Viertelwellenplatte Die fotoelektrischen Detektoreinheiten 33, 35, 37 doppelt durchlaufen und ist in einer Richtung linear sind in bezug auf die polarisierenden Teiler 34, 39 polarisiert, welche um 90° von der ursprünglichen und den linearen Polarisator 38 so angeordnet, daß Schwingungsrichtung des vom Strahlenteiler 27 re- 55 sie das Licht auffangen, welches von den Strahlenflektierten Strahls abweicht. Im wesentlichen gelangt teilern reflektiert wird und durch die polarisierende daher der gesamte Referenzstrahl 15 durch den Platte gelangt, so daß dadurch ein Fotostrom bewirkt Strahlenteiler 27, und kein Anteil wird in das Laser- wird, welcher dem reflektierten und übertragenen system reflektiert, so daß dadurch der Laserbetrieb Licht durch die Strahlenteiler bzw. den Polarisator gegen Rückkopplungsinterferenz geschützt wird.^{: r} 60 entspricht. « '

Der reflektierte Meßstrahl 13 und der reflektierte Der Betrag des auf die Detektoren einfallenden

Referenzstrahl 15 vereinigen sich wieder in dem Lichtes ist eine Funktion des Azimuts der Polarisa-

polarisierenden Strahlenteiler 27. Der resultierende tion des Strahls 17, da sich dieser Azimut auf die

Strahl 17, welcher aus den beiden Strahlen mit ein- Achsen der Polarisation der Strahlenteiler 34, 39 und

ander entgegengesetzten Poincare-Vektoren besteht, 65 des Polarisators 38 bezieht. Es ist daher offensicht-

gelangt durch die Viertelwellenplatte 25, weiche mit lieh, daß die Stellung des Meßreflektors 7 entlang

ihrer Achse um 45° zur Ebene von Fig. 1 geneigt dem Strahl 13 den Azimut der Polarisationsachse

ist. Die Wirkung der Wellenplatte 25 besteht darin, des Strahls 17 bestimmt und daß ein Wechsel in der

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Stellung des Reflektors den Azimut der Polarisation Während die Schaltung nach F i g. 5 einen einändert, fachen Bezug für die obenstehende Erklärung der

Da der Retorreflektor 7 längs des Strahles 13 be- Signaldifferentiation bildet, wird in Fig. 7 eine bewegt wird, richtet sich der Azimut der Polarisation vorzugte Differentiationsschaltung gezeigt. Durch das des Strahls 17 selbst nachfolgend gegenüber den 5 Ausgleichen der Signale von den Detektoren 33, 35, Achsen der Polarisatoren 34, 38, 39 aus, und die 37 in diesem Kreis werden die Signaldifferentiale vor Signale Z₁, Z₈, Z₂ an den Detektoren 33, 37, 35 wer- der Verstärkung erstellt. In dieser Art ist das Signalden der Reihenfolge nach minimal gemacht, wie in gleichgewicht unabhängig von irgendeiner Verstär-F i g. 5 gezeigt ist. Die auf den Detektoren 33, 37, 35 kung eines Verstärkers. Charakteristische Werte der einfallenden Strahlen werden auf diese Weise modu- io Elemente des Kreises enthalten Vorspannungen von liert mit relativen Phasen von 0, 90, 80°. ungefähr 15 Volt an den Detektoren und Widerstände

Es ist daher ersichtlich, daß der Meßstrahl 13 und von 1,0 kOhm. In ähnlicher Weise können geeignete der zusammengesetzte Interferenzstrahl 17 jeweils Betriebsverstärker verwendet werden. Beim Betrieb durch die ganze Anordnung hindurch räumlich ko- werden die veränderlichen Widerstände auf einen härent sind und daher die optischen Signale den- xs Punkt eingestellt, an dem die Gleichspannungskomselben atmosphärischen und ähnlichen Störungen ponenten von den Signalen entfernt werden,
durch alle Durchgänge hindurch unterworfen sind, Die Eichung eines digitalen Auslesezählers kann bis die Detektoranordnung 11 erreicht worden ist. natürlich abhängen von der Wellenlänge der Laser-Wie in den F i g. 1 und 2 angezeigt ist, sind die Wege strahlquelle, da beispielsweise hinsichtlich dem in der resultierenden, linear polarisierten Strahlen30, 20 Fig. 1 gezeigten Einfachdurchlaß-Interferometer 31, 32 im wesentlichen gleich und entsprechend ihrer eine Bewegung des Meßreflektors von einer Halb-Kurze keinen wesentlichen äußeren Einflüssen unter- wellenlänge zu einer Änderung von einer Wellenworfen. Die Wirkung eines Intensitätsunterschieds länge im Wegabstand des Meßstrahls führt. Solch ein zwischen dem Referenzstrahl 15 und dem Meßstrahl Wechsel von einer vollen Wellenlänge im Meßstrahl-13 besteht einfach darin, daß dem Zusammengesetz- 25 weg führt zu einem vollen Modulationszyklus an ten Strahl 17 eine zirkulär polarisierte Komponente irgendeinem der Detektoren. Natürlich wird die Interhinzugefügt wird. Diese zirkulär polarisierte Kompo- ferometeranordnung, welche mehrfache Durchgänge nente erzeugt keine Modulation an den Detektoren aufweist, zu einer schnelleren Modulation bei der und führt lediglich zu Gleichspannungskomponenten, Bewegung des Meßreflektors führen — beispielsweise welche den Detektorsignalen hinzugefügt werden. 30 wird ein räumliches Winkelinterferometer mit Da, wie nachfolgend beschrieben wird, die Detektor- Doppeldurchgang einen vollen Modulationszyklus signale differenziert werden, um alle Gleichspan- bei einer Bewegung des Meßstrahlreflektors von einer nungskomponenten auszuscheiden, wird die Wirkung Viertelwellenlänge zeigen. Daher folgt eine gesteider Intensitätsungleichheit beseitigt. gerte Genauigkeit bei der Messung mit Inter-

Das Differenzieren der Detektorsignale kann relativ 35 ferometern mit Mehrfachdurchgang. Die maximale leicht in der Schaltung eines elektronischen Zählers Meßgeschwindigkeit oder Bewegung des Meßvorgenommen werden und wird einfach mit Bezug Strahlreflektors ist um ein ähnliches Vielfaches auf die schematische Darstellung nach Fig. 3 erklärt. erniedrigt.

Die sinusförmigen Ausgangssignale I₁, I₂, I₃ Bei dem Aufbau des Laser-Interferometers wird

(Fig. 5) von den Detektoren 33, 35, 37 werden ein- 40 eine Quelle von HE-NE-Laserlicht (6328 AU) mit

zein in den Verstärkern 51, 53, 55 verstärkt, wobei 0,1 Milliwatt Ausgang verwendet. Die polarisierenden

jeweils die Verstärkung eingestellt wird, um im Strahlenteiler und die verschiedenen Halb- und

wesentlichen gleichen maximalen Strom in jedem Viertelwellenplatten werden im Hinblick auf die

der Detektorsignale zu erhalten. Die verstärkten Wellenlänge des Eingangslichtstrahles hergestellt. Als

Signale werden dann den Differentialverstärkern 57, 45 wirksame Detektorelemente wurden Siliziumdioden

58 zugeführt, und die entstehenden differenzierten 36 befunden, welche einen Dunkelstrom von weniger

Signale Z₃-Z₁ und I₃-I₂ gelangen an den elektro- als 10—⁷ Ampere aufweisen, welcher einem optischen

nischen Zähler 59 eines allgemein verfügbaren Typs Signal von ungefähr 2· 10-⁶ Watt entspricht. Diese

und werden beim reversiblen Zählen verwendet Dioden haben eine typische Kapazität von 5,5 pF

(Fig. 6). 50 und einen Widerstand von 95 Ohm. Die typische

Durch die Verwendung von differenzierten Grenzfrequenz der Siliziumdioden beträgt ungefähr Signalen, welche durch die Differentialverstärker er- 1 MHz. Es hat sich daher als praktisch herauszeugt werden, wird die Gleichspannungskomponente gestellt, Detektorverstärker mit einer Ansprechfreder ursprünglichen Signale von den Detektoren ent- quenz von 0 bis 2 MHz zu verwenden. Dies liegt mit fernt, und der Betrieb des Interferometers ist ver- 55 Sicherheit über der maximalen Zählrate von 1 MHz hältnismäßig unempfindlich gegenüber Änderungen der gegenwärtig erhältlichen zwei Richtungszähler, des Laserausganges oder Schwankungen in der Er- Die Interferenz- und Detektoranordnungen nach der kenntlichkeit der Ringe. Erfindung können auch in anderen als Einfachdurch-

Somit werden die sinusförmigen und kosinusför- gangs-Interferometeranordnungen verwendet werden, migen SIgHaIeZ₃-Z₁ und Z₃-Z₂ in den elektronischen 60 Aus Fig. 4 ist ersichtlich, daß die vorstehend beZähler 59 eingespeist und bilden die Grundlage für schriebene Polarisationstechnik ebenso gut auf ein die Reversibilität des Interferometers, da die Be- Instrument des Mehrfachdurchgangstyps übertragen wegung in dem Meßreflektor in der ersten Richtung werden kann, welches in einigen Anwendungsfällen entlang dem Meßstrahlenweg bewirkt, daß die Phase vorzuziehen sein wird, wenn es nämlich wünschensdes Sinus-Signals diejenige des Kosinus-Signals führt, 65 wert ist, genauere Messungen zu erhalten und wenn und umgekehrt bewirkt die entgegengesetzte Rieh- die Vorrichtung noch unempfindlicher gegen seitliche tung des Meßreflektors, daß das Kosinus-Signal die Fehlausrichtung der Reflektoreinheit gegenüber dem Phase des Sinus-Signals führt. Meßstrahl gemacht werden soll.

Das in F i g. 4 gezeigte Doppeldurchlaß-Interferometer arbeitet prinzipiell in der gleichen Weise wie das in Fig. 1 gezeigte Einfachdurchlaßinstrument. Bei der Doppeldurchlaßanordnung enthält die reflektierende Meßstrahlbaugruppe eine eben reflektierende Oberfläche 45 und permanent justierte keilförmige Adsorber 47. Da der Meßstrahl in doppelter Weise durch den kubischen Winkelreflektor 41 gebeugt wird, sollte dies beim Aufbau der Wellenplatte 42 in Erwägung gezogen werden, um die Kombinationswirkung der Platte und des kubischen Winkelreflektors gleich einer Viertelwellenplatte zu machen, deren Achse unter 45° gegenüber der Ebene von Fig. 4 geneigt ist. In dieser Art kann die richtige 90°-Änderung der linearen Polarisationsachse des Meßstrahles bewirkt werden, um im wesentlichen eine Totalreflexion des vom Strahlenteiler 40 zurückkehrenden Strahles zu erreichen. Wie vorstehend angemerkt wurde, ist' das Verhältnis aus einem Bewegungsabschnitt des Reflektors 41 in der Zweifach-Durchgangsanordnung und der Anzahl der Modulationszyklen um den Faktor zwei größer als bei der Anordnung mit Einfachdurchgang.

Das Fernrohr 5, welches zur Vergrößerung des Quellenstrahls in der vorstehend beschriebenen Weise dient, ist vorzugsweise vor der Strahlenteilereinheit in der kubischen Winkelanordnung angebracht. Diese Anbringung wird vorgezogen, da die Ausrichtung des Reflektors im Meßstrahl in einer solchen Konfiguration kritischer ist und Fehlausrichtungen infolge der Einstellung des Fernrohrs somit besser vermieden werden können.

Es ist offensichtlich, daß jede Anzahl von Reflektor- und Retroreflektorkombinationen verwendet werden kann, um ein verschiedenes Mehrfaches an Genauigkeit in einem Interfereometer zu erzielen. Beispielsweise kann ein Reflektor mit einem kubischen Winkelspiegel und ein Retroreflektor mit Linsenspiegel in einer einzigen Anordnung miteinander verbunden werden, um die speziellen Vorteile von jedem und die dementsprechende Genauigkeitssteigerung der Messung zu erreichen. Umgekehrt kann ein sehr einfacher Retroreflektor vom kubischen Winkeltyp in einer Anordnung mit Einfachdurchgang verwendet werden. Obwohl das Wesen eines Raumwinkel-Retroreflektors in bezug auf Abbildungsfehler bekannt ist, kann die verwendete Kombination von Viertelwellenplatten und polarisierenden Strahlenteilern verwendet werden, um relativ grobe Messungen in einfacheren Systemen ohne den Verlust des hohen Grades an Genauigkeit bei der Ringzählkapazität durchzuführen.

Durch den Einsatz einer geeigneten Strahlenteilereinheit in dem Meßstrahl 13, beispielsweise nach Fig. 1, wird ein Teil des Strahls abgelenkt, um einen Speisestrahl für ein Doppelsystem zu erhalten, dessen Meß-Retroreflektor sich entlang der Y-Achse der Messung bewegt, vorausgesetzt, daß die Bewegung der Meßeinheit7 nach Fig. 1 in der X-Achse der Messung stattfindet. Um das Einführen einer zirkularen Polarisation des Strahls zu vermeiden, was bedeutet, daß die Lichtquelle von der Y-Achseneinheit gebildet wird, wird die Viertelwellenplatte 27 (F i g. 1) der Z-Achseneinheit an dem hinteren Ende der Strahlspalteinheit angeordnet und dient dazu, den Strahl 13 zu teilen, so daß lediglich der X-Achsen-Meßstrahl durch die Viertelwellenplatte beeinflußt wird.

Ein wirksames Bauelement zur Ausscheidung des Quellenstrahls der Y-Achse vom Meßstrahl 13 ist aufgebaut mit einer strahlenteilenden Schicht, welche Reflexionsfaktoren von r_s = 56,0% und r_p = 2,0% aufweist. Ein derartiger Strahlenteiler kann durch die Vakuumbeschichtung eine Oberfläche eines Kronglasprismas (n — 1,151) mit Halbwellenlängendicken (bei 4800 A) von Magnesiumfluorid, Zeroxyd und Magnesiumfluorid und durch das Ankitten eines zweiten ähnlichen Prismas an die zusammengesetzte Schicht mit optischem Kitt («= 1,60) hergestellt werden.

Ein zusätzliches Z-Achsensystem kann ähnlich aufgebaut werden, indem die Lichtquelle dadurch hergestellt wird, daß ein Teil des Meß- oder Quellenstrahls entweder der X- oder der Y-Achse durch geeignete Strahlenteiler in der oben beschriebenen Weise abgelenkt wird.

Wie vorstehend mit Hinblick auf die Ausschaltung von intrakavitärer Rückfuhrinterferenz in der Laseranordnung gezeigt wurde, verhindert die Verbindung der Viertelwellenplatten und der polarisierenden Strahlenteiler in jedem der Mehrfachachsensysteme das Auslöschen der Signale von einem System zum anderen und verhindert dadurch die Signalinterferenz.

Claims

Patentansprüche:

1. Interferometer mit einer Laserlichtquelle für einen primären, kohärenten Lichtstrahl, einem polarisierenden Strahlenteiler zur Aufteilung des aus dem Laser kommenden Lichtstrahls in einen ersten und einen zweiten Sekundärkomponentenstrahl, einer Einrichtung zur Veränderung der Phase zwischen dem ersten und dem zweiten Strahl, einer Einrichtung zum Umlenken des ersten und zweiten Strahles zu einer gemeinsamen Stelle auf dem Strahlenteiler, wo sie zu einem zusammengesetzten Strahl mit einem resultierenden Poincare-Vektor vereinigt werden, dessen Orientierung eine Funktion der Phasenbeziehung zwischen dem ersten und zweiten Strahl ist, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierende Strahlenteiler und -vereiniger (3) so viele Halb- und/oder Viertelwellenplatten aufweist, daß der aus dem Strahlenteiler (3) austretende Strahl mit allen seinen Komponenten zwischen Austritt aus dem Laser (1) und Austritt aus dem Strahlenteiler (3) insgesamt durch ein ungeradzahliges Vielfaches von λ/4-Platten hindurchgetreten ist, und daß im Strahlengang des zusammengesetzten Strahls (17) eine Detektoranordnung (11) liegt, die den polarisierten Strahl (17) in mindestens zwei tertiäre Strahlen (30 bis 32) verschiedener Polarisationszustände zerlegt.

2. Interferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der polarisierende Strahlenteiler und -vereiniger (3) auf der dem Laser (1) zugewandten Seite eine Halbwellenplatte (21), auf der gegenüberliegenden Seite eine λ/4-Platte (29) und auf der hierzu senkrechten Seite je eine λ/4-Platte (23, 25) sowie einen diagonal angeordneten polarisierenden Strahlenteiler (27) aufweist.

3. Interferometer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (11) nahezu in der gesamten Öffnung des zusammengesetzten Strahles (17) angeordnet ist und daß jeder der tertiären Strahlen (30 bis 32)

den gesamten Querschnitt des zusammengesetzten Strahles (17) einnimmt.

4. Interferometer nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnung (11) bezüglich der gesamten öffnung des zusammengesetzten Strahls (17) angeordnete Polarisationseinrichtungen (34, 38, 39) aufweist, die auf Grund der Orientierung des resultierenden Vektors die tertiären Strahlen (30 bis 32) bilden, die durch eine Intensität charakterisiert sind, welche von der Orientierung des resultierenden Vektors und somit dem Verhältnis des zusammengesetzten Strahles (17) abhängt, der durch die Polarisationseinrichtungen herausgetrennt ist, sowie ferner eine auf die Intensitätsmodulation der tertiären Strahlen (30 bis 32) ansprechende Einrichtung (33, 35, 37) zur Erzeugung elektrischer Signale entsprechend der Intensitätsmodulation aufweist.

5. Interferometer nach Ansprüchen 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Differenzierung (51 bis 58) zumindest zweier Paare (I₃-I₁) der elektrischen Signale, die zumindest

ein Paar elektrischer Signale ohne Gleichstromkomponente erzeugt, daß als Eingangssignale für einen reversiblen Digitalzähler verwendbar ist.

6. Interferometer nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationseinrichtungen derart zueinander angeordnet sind, daß die Poincare-Vektoren bei Azimutwinkeln von 0, 90, 180° angeordnet sind, und eine Einrichtung zur Differenzierung solcher Paare von elektrischen Signalen vorgesehen ist, deren Phasenmodulation um 90° differiert.

7. Interferometer nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung elektrischer Signale mehrere getrennte photoelektrische Elemente (33, 35, 37) aufweist.

8. Interferometer nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (25) zur Orientierung der Poincare-Kugelvektoren der sekundären Strahlkomponenten des zusammengesetzten Strahles in Nord-Süd-Anordnung im gesamten Querschnitt des primären Strahles und/ oder des zusammengesetzten Strahles und/oder des Paares sekundärer Strahlen angeordnet ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen