DE3825606A1 - Kompakter aufbau eines michelson-interferomaters zur messung von laengen- und brechzahlaenderungen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft den miniaturisierten Aufbau eines gegen Störeinflüsse unempfindlichen Michelson-Interferometers zur Messung von Längen- und Brechzahländerungen.

Längenmessungen sollen einerseits hochpräzise und über große Meßwege durchführbar sein, andererseits soll der Meßkopf möglichst klein sein. Dies trifft für alle technisch physikalischen Größen zu, die eine Änderung des optischen Weges bewirken. Ein hochempfindliches Verfahren stellen die interferometrischen Methoden dar. Insbesondere eignet sich ein Michelson-Interferometer für diese Aufgaben, da sein Meßarm frei zugänglich ist.

Es ist bekannt, daß hochauflösende Messungen optischer Wege mit dem Michelson-Interferometer durchgeführt werden. Bislang werden diskrete optische Elemente wie Strahlteiler und Linsen benutzt. Dabei muß gewährleistet sein, daß die Komponenten wie Strahlteiler, Referenzspiegel und Kollimatorlinse einjustierbar und dennoch erschütterungsfest aufgebaut sind. Der Aufbau mit diskreten Elementen erfordert einen hohen Justieraufwand und er läßt sich nicht beliebig verkleinern.

Objekte die hochpräzise auszumessen sind, haben oftmals ein kleines Volumen, sodaß die klassischen Interferometeraufbauten aufgrund ihrer großen Abmessungen nicht einsetzbar sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau eines Michelson-Interferometers zu miniaturisieren, den Aufwand zur Justage des Interferometers beim Meßeinsatz zu minimieren und die Empfindlichkeit gegenüber Erschütterungen und elektromagnetische Störstrahlung zu reduzieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Licht in einmodigen Wellenleitern geführt wird, die durch strukturierten Ionenaustausch in Glassubstraten oder Eindiffusion in Kristallen hergestellt werden. Integriert- optisch wird der Strahlteiler durch einen symmetrischen Koppler realisiert. Die Lichtwellenleiter in dieser integriert-optischen Komponenten haben eine Breite von nur wenigen Mikrometern. Strahlteiler, Referenzarm und Referenzspiegel liegen geschützt in dem Substrat. Dieser integriert-optische Chip ist damit mechanisch stabil und unempfindlich gegen Erschütterungen. Der Spiegel des Referenzarmes wird direkt auf die Stirnseite der Wellenleiter aufgebracht. Eine Justierung des Referenzkanals entfällt.

Ein integriert-optisch aufgebautes Michelson-Interferometer hat einen frei zugänglichen Meßarm und ist einsetzbar, wenn die zu messende technisch physikalische Größe eine Änderung des optischen Weges bewirkt. Gegenüber den bislang benutzten klassischen Interferometern zeichnet sich die vorliegende Erfindung durch ihre miniaturisierte, einfache, kompakte Ausführung aus, die überdies den Justieraufwand, der bei einem konventionell aufgebautem Michelson-Interferometer erheblich ist, auf ein Minimum reduziert. Durch den integriert-optischen Aufbaus des Michelson-Interferometers werden der Interferometrie Meßobjekte zugänglich, auf die bislang die klassischen Interferometrieverfahren nicht anwendbar waren, wegen ihres komplizierten Aufbaus mit zwar kleinen aber immer noch diskreten, einzujustierenden und deshalb nicht beliebig miniaturisierbaren Komponenten. Mit diesem kompakten Sensorkopf können nun auch kleinste Meßobjekte optisch berührungslos mit hoher Genauigkeit abgetastet werden.

Immer dann, wenn Unempfindlichkeit gegen Störeinflüsse wie elektrische Einstreuungen, Anwendbarkeit auch bei hohen Temperaturen, Explosionssicherheit, Beständigkeit gegen korrosive Medien sowie Unempfindlichkeit gegen radioaktive Strahlung gefordert ist, dann bietet sich der Einsatz von Lichtleitfasern für eine Signalübertragung über große Strecken an. Die kommerziell erhältlichen Sensoren haben oftmals einen elektrischen Ausgang und sind deshalb selbst nicht unempfindlich gegen die oben genannten Störeinflüsse. Nutzt man jedoch beispielsweise zur Herstellung des integriert- optischen Michelson-Interferometers Glas als Substratmaterial, so wird der Sensorkopf selbst ebenso unempfindlich gegenüber Störeinflüsse wie die Lichtleitfaser, die zur Übertragung des Meßsignals über weite Strecken dient.

In dieser Erfindung wird die Gestaltung eines Michelson- Interferometers dargestellt, das eine einfache, kompakte und robuste Bauform erlaubt. Den schematischen Aufbau zeigt Fig. 1. Licht einer kohärenten Lichtquelle wird mit einer polarisationserhaltenden Monomodefaser in das Michelson- Interferometer eingekoppelt. Durch diese Anordnung ist auch ein Laser mit schmaler Bandbreite und damit hoher Kohärenz flexibel mit dem Meßkopf verbunden, der dadurch einfach handhabbar wird.

Der am Eingang 1 in das Interferometer eintretende Primärlichtstrom wird durch einen Strahlteiler 3 in zwei Teillichtströme annähernd gleicher Amplituden auf den Meßarm 4 und den Referenzarm 5 geteilt. In dieser Erfindung ist der Strahlteiler durch einen integriert-optischen Koppler 3 realisiert. Die Teillichtströme werden durch die Spiegel 6 und 7 zum Strahlteiler 3 zurückgeworfen. Licht, das im Referenzarm des integriert-optischen Kopplers geführt wird, trifft auf einen direkt auf das Substrat aufgebrachten Spiegel 6, den Referenzspiegel. Gegenüber einem diskret aufgebauten Michelson-Interferometer hat diese Anordnung den Vorteil mechanisch stabil und sicher gegen Umwelteinflüsse zu sein, da Strahlteiler und Referenzweg in das Substrat geschützt gegen Störeinflüsse eingebaut sind. Sofern eine Lichtquelle niedriger Kohärenz benutzt wird, kann der Weg des Referenzarmes an den gewünschten Meßabstand dadurch angepaßt werden, daß am Ausgang des Referenzarmes eine Glasfaser geeigneter Länge mit einem verspiegelten Ende angebracht wird.

Für geringe Meßabstände reicht es aus, den Spiegel des Meßarmes direkt vor dem Meßarm des Interferometers zu positionieren. Für größere Meßabstände über mehrere Zentimeter wird das Michelson-Interferometer mit einer Kollimatorlinse versehen. Das am Wellenleiterende oder bei örtlichgetrenntem Meßarm am Faserende austretende Licht wird durch die Linse näherungsweise in ein Parallelstrahlbündel umgewandelt, was unmittelbar zu einer Aufweitung des Lichtstrahles führt. Die Linse ist als Gradientenoptik (sog. "GRIN"-Linsen) hergestellt, statt der gewöhnlichen Kollimatorlinse. Die GRIN- Linse 8 kann vor den integriert-optischen Chip geklebt oder gehaltert werden. Mit dem Ionenaustausch im Glas lassen sich auch die Gradientenlinsen in das Substrat einbauen. Durch die Strahlaufweitung wird die Meßeinrichtung unempfindlich gegen kleine Ausricht- und Kippfehler der Apparatur. Außerdem wirken sich kleine Verschmutzungen auf dem der Linse gegenüberliegenden Spiegel 7, der in axialer Richtung des Wellenleiters beweglich ist, kaum aus. Bei Messungen sehr kleiner Längen können die GRIN-Linsen entfallen. Bei der Messung von Brechzahlen sind Verunreinigungen auf den beiden optisch durchtretenen Flächen des Meßvolumens durch die Aufweitung weniger störend.

Durch den Strahlteiler 3 wird das Licht des Meßarmes mit dem des Referenzarmes überlagert. Eine Änderung des optischen Weges in der Meßstrecke führt zu Interferenzen. Die Änderung der Phasenbeziehung zwischen Meßarm 4 und Referenzarm 5 wird durch den Strahlteiler 3 in eine Intensitätsmodulation auf dem Ausgangarm 9 umgewandelt. Verschieben um eine halbe Lichtwellenlänge bedeutet, daß eine Gangdifferenz von einer Wellenlänge zustande kommt, da der Weg zum Meßspiegel 7 zweimal durchlaufen wird. Die Intensität hängt von der Phasendifferenz der interferierenden Teilstrahlen ab. Deshalb ist für die Übertragung des Meßsignals eine einfache vielmodige Faser angekoppelt, die das Licht einem entferntliegenden Photodetektor zuführt.

Die Erfindung findet überall dort Anwendung, wo die zu messende technisch physikalische Größe eine Änderung des optischen Weges bewirkt. Dies ist durch die Längen- oder Wegänderung unmittelbar gegeben; es ist aber gerade dort vielseitig einsetzbar, wo eine Änderung des optischen Weges durch eine Änderung der Brechzahl erzeugt wird. Das trifft zu für die Messung der Brechzahl durch den Druck, der Zusammensetzung von Gasen oder Flüssigkeiten oder die Kraftmessung, sofern die Kraft einen Körper (insbesondere Kristalle) in seinen geometrischen Abmessungen ändert. Neben Meßobjekten mit gut reflektierender Oberfläche, wie z.B. alle Bauelemente der Optik, lassen sich auch Objekte mit ausreichender Reflexion, wie z.B. Metalle und Halbleiter optisch berührungslos auf Ebenheit prüfen.

Eine Erkennung der Richtung des optischen Verstellweges erfordert eine Modulation des Meßsignals. Das Volumen der Modulatoren in klassischen Interferometern ist zu groß für den Einsatz in diesem miniaturisierten Aufbau.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß Phasenmodulatoren in die Wellenleiter des integriert-optischen Kopplers eingebaut werden. Es werden beispielsweise Elektroden 10 auf die Wellenleiter aufgebracht, die die Phase auf dem Referenzarm periodisch mit 90 Grad verschieben. Die inkrementale Meßwertgewinnung in einer stehende Welle ist unmittelbar mit der inkrementalen Abtastung eines körperlichen Maßstabes vergleichbar, denn das Intensitätsprofil der stehende Welle verkörpert mit seinen Maxima und Minima eine ebenso räumlich feststehende Gitterteilung wie z.B. die Hell- Dunkelstriche eines inkrementalen Glasmaßstabes. Bekanntlich setzt die inkrementale Meßwertgewinnung zwei um 90 Grad phasenverschobene Signale voraus. Bei der inkrementalen Abtastung einer stehenden Welle wird die Bezugsgröße von 360 Grad durch eine Periode des Intensitätsprofils der stehenden Welle erzeugt, die eine halbe Wellenlänge beträgt. Legt man an die Elektroden eine Wechselspannung an, so kann man die optische Weglänge des Referenzarmes variieren. Im Falle der mit Wechselspannung modulierten Referenzarmlänge ergibt sich der Meßwert aus einer Mittelwertbildung.

Eine weitere zweckmäßige Möglichkeit der Signalauswertung, besteht in dem Nachregeln des Gangunterschieds, dem sogenannten Homodynverfahren. Es wird der Gangunterschied im Meßarm dem Referenzarm des Interferometers nachgeführt. In Fig. 2 ist der Phasenmodulator 10 schematisch dargestellt. Bei einer solchen Regelung besteht das Problem, das Vorzeichen der auftretenden Regelabweichung zu erkennen. Wird aber der Gangunterschied im Referenzarm des Interferometer mit hoher Frequenz periodisch variiert, z.B. durch eine periodische Phasenmodulation eines Wellenleiters und die hieraus resultierende Wechselkomponente des Detektor-Ausgangssignals mit der Gangunterschieds-Modulationsfrequenz phasenempfindlich gleichgerichtet, so ist das Problem der Vorzeichenerkennung auf einfache Weise gelöst. Dieses Gleichsignal, dessen Polarität mit der Änderungsrichtung wechselt, kann dann als Steuersignal für das Stellglied, einem Phasenmodulator 10, genutzt werden, das die gewünschte Folgeänderung des Gangunterschieds in den Referenzarm des Interferometer vermittelt. Dies kann zum einen durch eine mechanische Verstellung eines vor dem Referenzarm beweglich angebrachten Spiegels geschehen, oder durch auf das Substrat aufgebrachte thermooptische oder elektrooptische Phasenmodulatoren.

Eine Erhöhung der Auflösung erzielt man durch die Anwendung eines Heterodynverfahrens, daß mehrere digital ansteuerbare Phasenmodulatoren erfordert. Schematisch ist dies in Fig. 2 durch die Phasenmodulatoren 10 dargestellt. Nach einem festgelegten Algorithmus werden die Elektroden angesteuert. Jede Elektrode sorgt für einen diskreten Phasensprung um 45, 90 und 180 Grad. Vorteil dieses Verfahrens ist es, das die Anforderungen an die Genauigkeit der Phasensprünge sich darauf beschränken, daß die jeweiligen Phasensprünge immer mit der gleichen Abweichung auftreten müssen. Die sonst notwendige hochgenaue Absoluteinstellung der Phasensprünge ist bei diesem Verfahren nicht notwendig.

Claims (9)

1. Integriert-optisches Michelson-Interferometer, bestehend aus monochromatischer Laserlichtquelle, Strahlteiler, Strahlaufweitung und Lichtleitfasern zum Führen des Lichtes hin zum Meßkopf und einer multimodigen Lichtleitfaser für Rückführung des meßsignaltragenden Lichtes gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlteiler durch einen integriert- optischen Koppler gebildet wird.

2. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß das Interferometer als integriert-optischer Chip ausgebildet ist, der durch strukturierten Ionenaustausch oder Eindiffusion hergestellt ist.

3. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlteiler und der Referenzarm geschützt in das Substratmaterial eingebaut ist, und somit störunanfällig gegen äußere Einflüsse wie Verschmutzungen und insbesondere Erschütterungen sind.

4. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Sensorkopf örtlich getrennt von der kohärenten Lichtquelle betrieben wird und beide durch eine flexible Lichtleitfaser miteinander verbunden sind.

5. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßarm mittels flexibler Lichtleitfasern örtlich vom integriert-optischen Chip getrennt aufgebaut werden kann.

6. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß für die Erzeugung des Längen- oder Brechzahlinformation enthaltenden Ausgangslichtstromes am Meßort keine optisch-elektronischen Wandlerelemente benötigt werden, deren Funktion durch Umgebungseinflusse am Meßort gestört wird.

7. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß in den integriert-optischen Chip Phasenmodulatoren eingebaut sind, um die Richtungsdetektion zu implementieren und die Empfindlichkeit zu erhöhen.

8. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 7, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenmodulatoren thermooptisch oder elektrooptisch aufgebaut werden oder eine transparente fotoelektrisch aktive oder piezoelektrische Schicht auf der Stirnfläche der Wellenleiter die Phasenverschiebung erzeugt.

9. Integriert-optisches Michelson-Interferometer nach Punkt 8, gekennzeichnet dadurch, daß die Phasenmodulatoren digital arbeiten und mehrstufige digitale Phasenmodulatoren die Auflösung mittels Heterodynverfahren erhöhen.