DE68904681T2 - Breitbandige optische erfassung der transienten bewegung einer streuenden oberflaeche. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Erfassen transienter Bewegung einer streuenden Oberfläche. Die Erfindung betrifft insbesondere das Erfassen optischer Phasenmodulationen, wie derjenigen, die durch Ultraschall erzeugt werden.
• Das Erkennen einer phasenmodulation oder einer Frequenzmodulation einer optischen Welle ist in verschiedenen Anwendungsbereichen wichtig, in denen optische Strahlen zur Erkennung der Bewegung von Gegenständen verwendet werden. Dies ist der Fall bei der Laser- Erfassung von Vibrationen und der Laser-Erkennung von Ultraschall und von transienten Körperverformungen, wie sie durch Erschütterungen oder Schläge entstehen. Von besonderem Interesse für eine praktische Anwendung ist der Fall, in dem Ultraschall oder eine Schockwelle von einem Laser erzeugt wird. In diesem Fall kann ein vollständig entfernt gelegenes Ultraschall-Untersuchungssystem verwirklicht werden, das zum Beispiel Ultraschallsondierungen bei hohen Temperaturen ermöglicht. Ein auf Lasererzeugung und optischer Erfassung basierendes Verfahren kann daher vorteilhaft zur Untersuchung von Materialien (wie sämtliche Metalle und Keramikstoffe) bei hohen Temperaturen zu Zwecken der Verfahrens- und Qualitätskontrolle sowie zum Erkennen von Fehlern bei deren Enrstehung, zum Messen von Produktionsparametern (Dicke, Temperatur etc.) und zum direkten Bestimmen von mikrostrukturellen Eigenschaften (Korngröße, Porosität, etc.) verwendet werden.
• Im allgemeinen wird Ultraschall mit einem Hochleistungslaser erzeugt, der die Oberfläche einer Probe oder eines Werkstücks lokal erhitzt, um eine akustische Quelle zu erzeugen, und die Phasen- oder Frequenzmodulation kann durch ein Laser-Interferometer erkannt werden. Da in vielen Fällen die zu erkennenden Modulationsänderungen gering sind, ist die Empfindlichkeit ein Hauptanliegen. Eine adäquate Empfindlichkeit erfordert eine Empfangs-Demodulationseinrichtung mit einer hohen effektiven Lichtsammeleffizienz. Die geringe Empfindlichkeit der meisten bisher bekannten Erfassungssysteme ist einer der Hauptgründe dafür, daß die praktische Entwicklung dieser Technologie zu einer voll kommerziell nutzbaren Anwendung bisher begrenzt war.
• Im allgemeinen ist die Lichtsammeleffizienz eines interferometrischen Systems durch seinen Étendue-Parameter (oder Durchsatz) gekennzeichnet, der als das Produkt aus seiner effektiven Eingangsöffnungsfläche und dem Raumwinkel, der von den durch die Mitte der Eingangsöffnung gehenden Strahlen mit maximaler Neigung begrenzt wird und somit das Sichtfeld definiert. Die Strahlen mit maximaler Neigung können als diejenigen definiert werden, die eine Verschiebung des Interferenzmusters um ein Viertel eines Streifens bewirken. Die Wichtigkeit dieses Étendue-Parameters erklärt sich aus seiner Invarianz im Rahmen der geometrischen Optik. Ein großes Étendue erlaubt die Auswahl großer Lichtsammeloptiken, denen nur durch Kosten und praktische Eignung Grenzen gesetzt sind, und das Erfassen von Oberflächenbewegungen über eine große Fläche.
• Ein weiteres Hauptanliegen bei vielen Anwendungen ist die Fähigkeit einen Frequenzgang vorzusehen, der die exakte Oberflächenbewegung wiedergibt. Dies kann nur erreicht werden, wenn die Erfassungstechnik eine große Frequenzbandbreite aufweist.
• Der Effekt einer transienten Bewegung auf einen von einer Oberfläche gestreuten Laserstrahl läßt sich auf drei verschiedene und äquivalente Arten beschreiben. Man kann sagen, daß die Oberflächenbewegung eine variable Phasenverschiebung oder eine Doppler-Verschiebung der gegebenen Frequenz bewirkt, oder daß sie Seitenbänder auf beiden Seiten der Laserfrequenz erzeugt. Im Falle einer gepulsten Ultraschallerregung sind diese Seitenbänder verbreitert.
• Die Anmelderin hat bereits im US Patent 4 633 715 ein heterodynes interferometrisches Laser-Verfahren und ein System zum Messen von Ultraschallverschiebungen beschrieben, welche auf der Erzeugung einer Interferenz des von der Oberfläche eines Werkstücks gestreuten Laserstrahls mit einem von der gleichen Laserquelle stammenden Referenzstrahl basiert, wobei die Frequenz des Referenzstrahls durch eine akusto-optische oder Bragg-Zelle verschoben wird. Da bei diesem Verfahren die Referenzwelle direkt aus dem Laser abgeleitet wird, gleicht ihre Wellenfront nicht der Wellenfront des von der Oberfläche gestreuten Strahls. Dies hat den Nachteil, daß eine Empfindlichkeit für Flecke und ein sehr begrenztes Étendue bewirkt werden. Die beste Erfaßbarkeit ist erreicht, wenn ungefähr ein Fleck ermittelt wird, wodurch ein Fokussieren des Strahls auf die Werkstückoberfläche erforderlich wird. Die Empfindlichkeit ist in Abhängigkeit von der Intensität des den Referenzstrahl überlappenden Flecks sehr variabel.
• Die Verwendung eines Zwei-Wellen-Interferometers wurde ebenfalls im US Patent 4 046 477, erteilt an W. Kaule, zur Erfassung von Deformationen eines Ultraschallenergie ausgesetzten Werkstücks vorgeschlagen. Die in einem von der Oberfläche des Werkstücks gestreuten Laserstrahl erzeugte optische Dopplerverschiebung wird mittels eines Michelson-Interferometers erkannt. Da eine große Differenz der optischen Wege erforderlich ist, um bei einem Michelson-Interferometer eine adäquate Frequenzunterscheidungsempfindlichkeit zu erzielen und die Mittelstreifen der Interferenz in einem sehr kleinen Winkel gesehen werden, hat das von Kaule vorgeschlagene Interferometer ein sehr begrenztes Étendue, wenn die beobachtete Oberfläche nicht spiegelartig ist.
• Um ein Unterscheidungssystem mit großem Étendue oder hoher Lichtsammeleffizienz zu schaffen, hat die Anmelderin im US Patent 4 659 224 vorgeschlagen, ein optisches Interferometer des konfokalen Fabry-Perot-Typs zu verwenden. Die Vorteile eines solchen interferometrischen Systems sind seine Unempfindlichkeit für Flecken und seine hohe Lichtsammeleffizienz. Da es jedoch auf einem Filterungsvorgang basiert, ist seine Frequenzbandbreite entsprechend begrenzt und sein Frequenzgang kann über eine große Frequenzspanne nicht flach sein.
• Daher ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die genannten Nachteile zu überwinden und ein Verfahren und eine Vorrichtung zum optischen Erfassen transienter Bewegungen einer streuenden Oberfläche zu schaffen, die ein großes Étendue oder eine hohe Lichtsammeleffizienz sowie eine große Frequenzbandbreite aufweist.
• Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist ein Verfahren zum optischen Erfassen transienter Bewegung einer streuenden Oberfläche vorgesehen, das umfaßt: das Richten eines Laserstrahls mit einer vorbestimmten Frequenz auf eine solche Oberfläche, um den Laserstrahl zu streuen und einen gestreuten Laserstrahl zu erzeugen, der eine optische Wellenfront bildet und ein optisches, Spektrum mit einem zentralen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und einem Seitenband auf jeder Seite des zentralen Peaks aufweist. Eine Interferenz wird zwischen dem von der Oberfläche gestreuten Laserstrahl und einem Referenzstrahl bewirkt, der aus dem gestreuten Laserstrahl abgeleitet ist und eine optische Wellenfront, die im wesentlichen der Wellenfront des gestreuten Strahls gleicht, und ein optisches Spektrum mit einem einzigen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und ohne Seitenbänder aufweist, um ein optisches Signal zu erhalten, welches erfaßt und in ein die transiente Bewegung repräsentierendes elektrisches Signal umgewandelt wird.
• Nach einem anderen Aspekt schafft die vorliegende Erfindung ebenfalls eine Vorrichtung zum optischen Erfassen transienter Bewegung einer streuenden Oberfläche, die aufweist:
• - eine Laserquelleneinrichtung zum Erzeugen eines Laserstrahls mit einer vorbestimmten Frequenz und Richten desselben auf die Oberfläche, um den Laserstrahl zu streuen und einen gestreuten Laserstrahl zu erzeugen, der eine optische Wellenfront bildet und ein optisches Spektrum mit einem zentralen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und einem Seitenband auf jeder Seite des zentralen Peaks aufweist;
• - eine optische Einrichtung zum Ableiten eines Referenzstrahls aus dem gestreuten Laserstrahl, wobei der Referenzstrahl eine optische Wellenfront, die im wesentlichen der Wellenfront des gestreuten Strahls gleicht, und ein optisches Spektrum mit einem einzigen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und ohne Seitenbänder aufweist, und zum Bewirken einer Interferenz zwischen dem gestreuten Laserstrahl und dem Referenzstrahl, um ein optisches Signal zu erhalten; und
• - eine Detektoreinrichtung zum Erfassen des optischen Signals und zum Umwandeln desselben in ein die transiente Bewegung repräsentierendes elektrisches Signal.
• Die Anmelderin hat überraschenderweise festgestellt, daß durch Ableiten eines Referenzstrahls mit einer der Wellenfront des gestreuten Laserstrahls gleichenden Wellenfront aus dem durch die Oberfläche gestreuten Laserstrahl und durch Bewirken einer Interferenz zwischen dem Referenzstrahl, nachdem dieser von seinen Seitenbändern befreit wurde, und dem gestreuten Laserstrahl, dessen Frequenzspektrum die Trägerlaserfrequenz und benachbarte Seitenbänder enthält, transiente Bewegungen mit einem großen Étendue oder hoher Lichtsammeleffizienz und großer Frequenzbandbreite erfaßt werden.
• Mit dem Ausdruck "transiente Bewegung" ist eine Bewegung mit einer Beschleunigung ungleich Null gemeint. Dieser Ausdruck beinhaltet somit alle oszillierenden Bewegungen, schließt aber alle Bewegungen mit konstanten Geschwindigkeiten aus.
• Die Erfindung ist besonders geeignet, um geringe Oberflächenverformungen oder Verschiebungen eines Ultraschallenergie ausgesetzten Materials zu erfassen, wobei Verschiebungen in einem Bereich von einem Bruchteil von 1Å bis zu einigen Hundert Å mit großem Etendue oder hoher Lichtsammeleffizienz und einer breiten Frequenzbandbreite erfaßt werden können.
• Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, die als Beispiele in den zugehörigen Zeichnungen dargestellt sind, welche zeigen:
• Figur 1 - ein schematisches Diagramm des Prinzips, auf dem die vorliegende Erfindung basiert;
• Figur 2 - ein anderes schematisches Diagramm der Verwendung eines im Durchlaßmodus befindlichen konfokalen Hohlraums als Seitenbandentfernungseinrichtung, wobei der konfokale Hohlraum optisch mit einem Zwei-Wellen- Interferometer von Mach-Zehnder-Konfiguration gekoppelt ist;
• Figur 3 - eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der Interferometeranordnung von Fig. 2;
• Figur 4 - ein schematisches Diagramm der Verwendung des im Reflexionsmodus befindlichen konfokalen Hohlraums als Seitenbandentfernungseinrichtung, ohne jede externe Interferometeranordnung;
• Figur 5 - eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit der optischen Einrichtung von Fig. 4;
• Figur 6 - eine Kurvendarstellung des Frequenzgangs, der normalerweise erfindungsgemäß erhalten wird;
• Figur 7 - eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung mit zwei phasenkonjugierenden Spiegeln und einer Mach-Zehnder-Interferometeranordnung; und
• Figur 8 - ein schematisches Diagramm der Verwendung eines Strahlteilers und zweier phasenkonjugierender Spiegel ohne eine Mach-Zehnder-Interferometeranordnung.
• Nach der Darstellung von Fig. 1 wird ein von der Laserquelle 12 erzeugter Laserstrahl 10 auf die Oberfläche 14 eines Materials oder Werkstücks gerichtet, das Ultraschallenergie ausgesetzt ist. Die Ultraschall-Verschiebungen der von dem Laserstrahl 10 abgetasteten Oberfläche l4 können durch einen piezoelektrischen Ultraschall-Wandler oder andere Mittel, wie durch elektrische Entladung, Projektilaufschlag oder Laserimpulse mit hoher Intensität erzeugt werden; sie können in einem belasteten Material auch natürlich auftreten. Beim Auftreffen des Laserstrahls 10 auf die Oberfläche l4 wird er durch die Oberfläche gestreut, wobei der derart gebildete gestreute Laserstrahl 16 ein optisches Spektrum mit einem zentralen Peak bei der Laserfrequenz FL und einem Seitenband auf jeder Seite des zentralen Peaks aufweist, wie in den Kreisen dargestellt. Der gestreute Strahl 16 wird durch einen Strahlteiler 18 in zwei Strahlteile 16a und 16b geteilt, wobei der Strahlteil 16b als Meßstrahl dient. Der Strahlteil 16a wird durch eine Seitenbandentfernungseinrichtung 20 geleitet, um seine Seitenbänder zu entfernen und so einen Referenzstrahl 22 mit einem optischen Spektrum zu erhalten, das nur einen einzigen Peak bei der Laserfrequenz FL und keine Seitenbänder aufweist. Der die Seitenbandentfernungseinrichtung 20 verlassende Referenzstrahl 22 wird von einem Spiegel 24 auf einen Strahlmischer 26 geleitet, wo er mit dem Meßstrahl 16b, der von dem Spiegel 28 auf den Strahlmischer 26 reflektiert wird, kombiniert wird, um ein optisches Signal zu erzeugen, welches von dem Photodetektor 32 erfaßt und in ein elektrisches Signal umgewandelt wird, das die Oberflächenverschiebung repräsentiert. Da der Referenzstrahl 22 aus dem gestreuten Laserstrahl 16 abgeleitet ist und eine Seitenbandentfernungseinrichtung 20 von geeignetem Aufbau verwendet wird, gleicht die Wellenfront des Referenzstrahls 22 im wesentlichen der Wellenfront des gestreuten Strahls 16, so daß ein großes Étendue oder eine hohe Lichtsammeleffizienz erreicht wird. Ferner ermöglicht die Verwendung eines Referenzstrahls 22, der keine andere Frequenz als die Trägerlaserfrequenz aufweist, zum Bewirken einer Interferenz, das Erhalten einer breiten Frequenzbandbreite.
• Um zweckmäßig zu sein, sollte die Seitenbandentfernungseinrichtung 20 ein ausreichendes Étendue haben, d. h., sie sollte die Seitenbänder von Strahlen, die aus verschiedenen Richtungen kommen, effektiv und in einem ausreichend großen Sichtfeld entfernen. Wie in Figur 2 dargestellt, kann als Seitenbandentfernungseinrichtung ein konfokaler optischer Resonatorhohlraum von hoher Qualität 120 verwendet werden, der aus stark reflektierenden konkaven Spiegeln 134 und 136 mit gleichem Radius besteht, die um eine ihrem Radius entsprechende Entfernung voneinander beabstandet sind.
• Ein konfokaler Hohlraum mit Spiegeln von 1 Meter Krümmungsradius, die zur Erzeugung einer Bandbreite von 1,5 MHz bei einer Wellenlänge von 1,06µm beschichtet sind, hat ein Étendue von ungefähr 0,1 mm².sr, das für die meisten Anwendungen geeignet ist. Entfernungseinrichtungen mit größerem Étendue können durch Vorsehen optischer Elemente zwischen den Spiegeln zum Korrigieren optischer Aberrationen erreicht werden. Wie dargestellt, ist einer der Spiegel des konfokalen Hohlraums 120 an einem piezoelektrischen Druckelement 138 derart angebracht, daß der Abstand zwischen den Spiegeln 134 und 136 zur Feinabstimmung veränderbar ist. Der konfokale Hohlraum 120 ist optisch in ein Zwei-Wellen- Interferometer von Mach-Zehnder-Konfiguration integriert, welches einen Strahlteiler 118, einen Strahlmischer 126 und zwei Spiegel 124 und 128 aufweist, wobei der Spiegel 128 auf einem piezoelektrischen Druckelement 140 angebracht ist, um die optische Weglänge eines der Arme des Interferometers zu verändern.
• In Fig. 2 ist ebenfalls der Weg eines typischen schrägverlaufenden Strahls 116' dargestellt, wodurch die Art und Weise dargestellt ist, in der ein großes Étendue erhalten wird. Dieser Strahl wird durch den Strahlteiler 118 in zwei Teile 116'a und 116'b geteilt. Der Strahl 116'a tritt in den konfokalen Hohlraum 120 ein und erzeugt vier Abfolgen von vollständig überlagerten Strahlen 117' und 119', die reflektiert werden, und 121' und 122', die transmittiert werden. Nur die Abfolge von Strahlen 122' die zu den einfallenden Strahlen 116'a kolinear ist, wird zusammen mit den überlagerten Strahlen 122, die aus der Mitte des konfokalen Hohlraums 120 austreten, als Referenzstrahl verwendet, wobei die Strahlen 122 ebenfalls mit den aus den zentralen Strahlen 116 gebildeten Strahlen 116a kolinear sind. Ist der Hohlraum 120 korrekt auf die Laserfrequenz eingestellt, werden alle Seitenbänder, die um mehr als eine Spektralbandbreite des Hohlraums von der Laserfrequenz entfernt angeordnet sind, aus den Strahlen 122 und 122' entfernt. Diese Strahlen 122 und 122' werden sodann vom Spiegel 124 auf den Strahlmischer 126 reflektiert, wo sie jeweils mit den Strahlen 116b und 116'b kombiniert werden, die von dem Spiegel 128 auf den Strahlmischer 126 reflektiert wurden, nachdem sie Kompensationselemente 135 und 137 passiert haben. Diese Kompensationselemente weisen dieselben Krümmungen und Dicken auf wie die Spiegel 134 und 136 und sind im gleichen Abstand vom Strahlteiler 138 und dem Strahlmischer 126 angeordnet wie die Spiegel 134 und 136, weisen jedoch Anti-Reflexionsbeschichtungen auf. Wenn das durch den optischen Arm, der aus dem Spiegel 128, den Kompensationselementen 135 und 137 und dem Strahlteiler 118 besteht, geleitete Bild des Strahlmischers 126 dem Bild, das durch den anderen optischen Arm, bestehend aus dem Spiegel 124 und dem Substrat der Hohlraumspiegel 134 und 136, geleitet wird, überlagert wird, sind die aus den Strahlen 116b und 116'b gebildeten austretenden Strahlen am Ausgang den aus den Strahlen 122 und 122' gebildeten austretenden Strahlen überlagert, so daß die Strahlen 130 und 130' für jegliche Neigung am Eingang gebildet werden, wodurch das gewünschte große Étendue bewirkt wird. Die Überlageerung der Bilder ist erfolgreich, wenn die optischen Weglängen ABC und ADC gleich sind und wenn der Strahlmischer 126 derart ausgerichtet ist, daß er den von den Strahlen 116b und 122 gebildeten Winkel halbiert. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß die Überlagerung sämtlicher Strahlen, die aus einem einfallenden Strahl, wie dem Strahl 116', gebildet werden, nur in erster Annäherung Gültigkeit besitzt, wobei die Einschränkungen aus den Aberrationen dritter Ordnung des konfokalen Hohlraums 120 erklärbar sind. Wie zuvor erwähnt, kann diese Einschränkung durch eine verbesserte Hohlraumausbildung eliminiert werden; in vielen Fällen ist jedoch das Étendue des konfokalen Hohlraums ausreichend. Weisen die Substrate der Hohlraumspiegel 134 und 136 über ihre Oberflächen gleichmäßige Dicke auf und sind sie ausreichend dünn, so können die Kompensationselemente 135 und 137 im Arm ABC näherungsweise entfallen und werden somit wahlweise vorsehbar. Eine geringe Veränderung der Länge eines der Arme und eine geringe Neigung des Strahlmischers 126 sind dann erforderlich.
• Es sollten zwei Stabilisierungseinstellungen durchgeführt werden. Zuerst sollte die Laserfrequenz auf den Durchlaßpeak des Hohlraums 120 eingestellt werden, um sicherzustellen, daß die Seitenbänder vollständig von den aus dem konfokalen Hohlraum austretenden Strahlen entfernt werden, die als Referenzstrahl verwendet werden. Zweitens sollte die Mach-Zehnder-Interferometeranordnung zur empfindlichen und linearen Erfassung auf den Mittelstreifen-Nulldurchgangspunkt eingestellt werden. In Figur 3 ist ein Aufbau dargestellt, der diese beiden Einstellungen zuläßt.
• Wie in Figur 3 dargestellt, wir der von einer Laserquelle 12 erzeugte Laserstrahl 10 von einem Strahlteiler 142 in zwei Strahlteile 10a und 10b geteilt, wobei der Strahlteil 10a auf die zu untersuchende Oberfläche 14 gerichtet wird. Im optischen Weg des Strahlteils 16a ist eine geeignete optische Anordnung 144 angeordnet, um die Oberfläche 14 mit einem Lichtpunkt der gewünschten Größe zu beleuchten. Ein weiteres optisches System 146 ist zum Sammeln des von der Oberfläche 14 gestreuten Lichts vorgesehen. Die Stabilisierungseinstellungen werden durch die Verwendung des aus dem Laserstrahl 10 abgeleiteten Strahlteils 10b ermöglicht. Der Laserstrahlteil 10b wird mit einem Phasenmodulator 148 phasenmoduliert, wobei Standardtechniken, wie die auf dem elektrooptischen Effekt basierende Technik, verwendet werden, wodurch ein phasenmodulierter Stabilisierungsstrahl 150 gebildet wird, der durch einen polarisierenden Strahlteiler 152 kolinear mit dem gestreuten Laserstrahl 116 gemischt wird. Ein polarisierender Strahlteiler hat die Eigenschaft, nahezu 100% des in der Einfallsebene polarisierten Lichts durchzulassen und nahezu 100% des senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Lichts zu reflektieren. Nachdem er den polarisierenden Strahlteiler 152 passiert hat, wird der gestreute Strahl 116 in der Ebene der Zeichnung polarisiert, während der Stabilisierungsstrahl in einer dazu senkrechten Ebene polarisiert wird, so daß sie unter Verwendung anderer polarisierender Optiken, zum Beispiel polarisierender Strahlteiler, voneinander getrennt werden können. Diese beiden Strahlen werden sodann in die Mach-Zehnder- Interferometeranordnung geleitet, welche den in Figur 2 dargestellten konfokalen Hohlraum 120 aufweist.
• Wie dargestellt, werden der gestreute Strahl 116 und der Stabilisierungsstrahl 150 von dem Strahlteiler 118 jeweils in zwei Strahlteile 118a, 116b und 150a, 150b geteilt, wobei die Strahlteile 116a und 150a in den konfokalen Hohlraum 120 eindringen. Der Stabilisierungsstrahl 152, der von dem konfokalen Hohlraum 120 teilweise reflektiert wird, wird von dem Strahlteiler 118 zum polarisierenden Strahlteiler 154 geleitet, der ihn auf den Stabilisierungsdetektor 156 richtet. Der Detektor 156 erkennt ein Signal, das sich mit der Frequenz des Phasenmodulators 148 verändert und einem Stabilisierungsnetzwerk 158 für den konfokalen Hohlraum 120 zugeführt wird. Das von R. W. P. Drever et al. in Applied Physics B, Band 31, (1983), S. 97-105, beschriebene Verfahren kann zur Stabilisierung des Laserhohlraums von der Reflexionsseite her verwendet werden. Nach diesem Verfahren wird ein Null-Signal mit der Modulationsfrequenz automatisch ermittelt, so daß die Laserfrequenz der Hohlraumresonanzfrequenz entspricht. Ein von dem Stabilisierungsnetzwerk 158 erzeugtes Korrektursignal wird dem piezoelektrischen Druckelement 138 zugeführt, um den Abstand zwischen den Spiegeln 134 und 136 und damit die Hohlraumresonanzfrequenz zu verändern. Alternativ ist es möglich, auf der Transmissionsseite des konfokalen Hohlraums 120 zu arbeiten, indem der polarisierende Strahlteiler 124' und der Stabilisierungsdetektor 156', die durch gestrichelte Linien dargestellt sind, verwendet werden; der transmittierte Stabilisierungsstrahl 153 wird von dem aus dem Hohlraum 120 austretenden und von dem gestreuten Laserstrahl 116 abgeleiteten Referenzstrahl 122 durch den polarisierenden Strahlteiler 154' getrennt, der den Stabilisierungsstrahl 153 auf den Detektor 156' reflektiert. Das Stabilisierungsnetzwerk 158 ermittelt ein Null-Signal bei der Modulationsfrequenz, wie bei dem zuvor beschriebenen Verfahren zur Stabilisierung von der Reflexionsseite des konfokalen Hohlraums 120.
• Die Stabilisierung der Mach-Zehnder-Konfiguration erfolgt durch das Auswählen eines der Stabilisierungsstrahlen, die aus der Interferenz der Strahlen 150b und 153 entstanden sind und am Ausgang des Strahlmischers 126 austreten, wobei der polarisierende Strahlteiler 160, der optisch mit dem Stabilisierungsdetektor 162 gekoppelt ist, verwendet wird. Das Stabilisierungsnetzwerk 164 ermittelt automatisch eine Null der zweiten Harmonischen der Modulationsfrequenz, was einer Null der zweiten Ableitung der Frequenzgangskurve der Mach-Zehnder-Konfiguration bedeutet. Wie in Fig. 3 dargestellt, erzeugt das Stabilisierungsnetzwerk 164 alternativ ein Fehlersignal, indem es den Gleichspannungsausgang des Detektors 162 mit einem voreingestellten Spannungswert vergleicht, der dem Mittelstreifen-Nulldurchgangspegel entspricht. Sodann wird ein von dem Stabilisierungsnetzwerk 164 erzeugtes Korrektursignal an das piezoelektrische Druckelement 140 ausgegeben, um den Spiegel 128 zu bewegen und somit die optische Weglänge eines der Arme der Mach- Zehnder-Interferometeranordnung zu verändern.
• Wie in Figur 3 dargestellt, werden am Ausgang zwei Detektoren 132 und 166 verwendet, denen sich ein Differentialverstärker 168 anschließt, wobei der polarisierende Strahlteiler 170 sowie der polarisierende Strahlteiler 160 verhindern, daß die Stabilisierungsstrahlen 150b und 153 die Detektoren 132 und 166 erreichen. Eine solche Anordnung erlaubt eine Verdoppelung des Ausgangssignals und eine Verringerung des Effekts der Fluktuationen der Laseramplitude auf das Signal sowie des Effekts des nicht interferierenden Strahls 121'.
• In den Figuren 4 und 5, die ein zweites erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel zeigen, wird lediglich ein konfokaler Hohlraum 220 ohne externe interferometrische Anordnung verwendet. Wie gezeigt, wird anstelle des bei dem Ausführungsbeispiel nach den Figuren 2 und 3 verwendeten einfachen Strahlteilers 118 ein polarisierender Strahlteiler 218 verwendet, dem sich eine Viertelwellenplatte 272 anschließt, die bezüglich der einfallenden Polarisation in einem Winkel von 45 ausgerichtet ist. Figur 4 zeigt, ähnlich wie Figur 2, die optischen Wege eines zentralen Strahls 216 sowie eines schrägverlaufenden Strahls 216'. Das Ausführungsbeispiel in Figur 4 basiert auf der Tatsache, daß das elektromagnetische Feld des reflektierten Strahls 217', der aus dem Hohlraum 220 austritt, tatsächlich die Überlagerung eines Feldes ist, das direkt von dem Spiegel 234 reflektiert wird, welches die Trägerlaserfrequenz und benachbarte Seitenbänder beinhaltet, und eines aus dem Hohlraum abfließenden Feldes ist, bei dem die Seitenbänder ausgefiltert wurden und das dem Referenzstrahl entspricht. Diese Überlagerung entsteht bei jeder Ausrichtung des einfallenden Strahls (zumindest in erster Annäherung), wodurch das gewünschte große Étendue gegeben ist. Diese Überlagerung trifft ebenso auf den aus dem Hohlraum austretenden reflektierten Strahl 217 zu, der aus dem zentralen Strahl 216 abgeleitet ist.
• Das Verbinden der Strahlen in und außerhalb des konfokalen Hohlraums 220 erfolgt mittels des polarisierenden Strahlteilers 218 und der Viertelwellenplatte 272. Die Strahlen 216, 216' werden, nachdem sie den polarisierenden Strahlteiler 218 durchlaufen haben, in der Ebene der Zeichnung polarisiert und von der unter 45º angeordneten Viertelwellenplatte 272 als kreisförmig polarisierte Strahlen zum konfokalen Hohlraum 220 transmittiert. Nach erneuter Reflexion und Transmission durch die Viertelwellenplatte 272 werden die reflektierten Strahlen 217, 217' in einer zur Zeichnungsebene senkrechten Ebene polarisiert und sodann von dem polarisierenden Strahlteiler 218 reflektiert. In der Praxis kann der aus dem Hohlraum 220 fließende Strahl 219' am Detektor 232 (siehe Figur 5) nicht von den Überlagerungsstrahlen 217 und 217' getrennt werden, wenn der von der untersuchten Oberfläche 14 her empfangene auf die Hohlraumachse zentriert ist. Die Strahlen 217' und 219' addieren sich inkohärent auf dem Detektor (d.h., die Intensitäten werden lediglich addiert). Theorien und Experimente bestätigen, daß dies nicht nachteilig ist und es ist tatsächlich beabsichtigt, den Frequenzgang für Frequenzen der Ordnung der Hohlraumbandbreite weiter abzuflachen. Theorien und Experimente zeigen ferner, daß die Laserfrequenz auf einer Flanke eines Resonanzpeaks stabilisiert werden sollte, etwa auf der Hälfte der Resonanzhöhe. Eine Stabilisierung bei der Resonanz ergibt zwei Beiträge seitens der Seitenbänder, die sich gegenseitig eliminieren. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist es nicht möglich, die Phase des Referenzstrahls bezüglich des von der Oberfläche 14 gestreuten Strahls zu verändern und Seitenbander unabhängig von der Einstellung für das Filtern zu haben.
• Eine geeignete Konfiguration zur Stabilisierung des konfokalen Hohlraums 220 auf die Laserfrequenz ist in Figur 5 dargestellt. Der von der Laserquelle 12 erzeugte Laserstrahl 10 wird von dem Strahlteiler 242 in zwei Strahlteile 10a und 10b geteilt, wobei der Strahlteil 10a auf die zu untersuchende Oberfläche 14 gerichtet wird. Im optischen Weg des Strahlteils 10a ist ein optisches System 244 angeordnet, um die Oberfläche 14 mit einem Lichtpunkt der gewünschten Größe zu beleuchten. Ein weiteres optisches System 246 ist zum Sammeln des von der Oberfläche 14 gestreuten Lichts angeordnet. Die Stabilisierungseinstellung erfolgt unter Verwendung des aus dem Laserstrahl 10 abgeleiteten Strahlteils 10b. Der Laserstrahlteil 10b wird von einem Strahlteiler 252 auf den polarisierenden Strahlteiler 218 geleitet, um einen Stabilisierungsstrahl 250 zu erhalten, der kolinear mit dem gestreuten Laserstrahl 216 ist. Der von dem konfokalen Hohlraum 220 reflektierte Überlagerungsstrahl 217 wird von dem polarisierenden Strahlteiler 218 reflektiert und dann durch den Strahlteiler 252 auf den Signaldetektor 232 transmittiert. Diese Anordnung ermöglicht die Trennung des reflektierten Strahls 217 von dem vom Hohlraum reflektierten Stabilisierungsstrahl, wobei dieser zur Oberfläche 14 und nicht auf den Detektor 232 transmittiert wird. Eine zweite Viertelwellenplatte 274 ist hinter dem konfokalen Hohlraum angeordnet, wobei ihre Achse antiparallel zur Achse der ersten Viertelwellenplatte 272 verläuft, so daß die Kombination beider keinen polarisierenden Effekt hat. Eine solche Anordnung ermöglicht die Reflexion des transmittierten Stabilisierungsstrahls 253 durch den polarisierenden Strahlteiler 254 auf den Stabilisierungsdetektor 256, ohne daß er durch den aus dem Hohlraum 220 austretenden und aus dem gestreuten Strahl 216 abgeleiteten Strahl 222 beeinflußt wird. Der Spiegel 216 des konfokalen Hohlraums 220 ist hoch-reflektierend mit einer Transmission in der Größenordnung von 0,1%, um die besten Erfassungsbedingungen zu bewirken. Eine Stabilisierung kann leicht erfolgen, indem der Gleichspannungsausgang des Detektors 256 mit einem voreingestellten Spannungswert verglichen wird, der ungefähr der Hälfte der Resonanzpeakhöhe entspricht. Ein von dem Stabilisierungsnetzwerk 258 erzeugtes Korrektursignal kann sodann dem piezoelektrischen Druckelement 238 zugeführt werden, um den Abstand zwischen den Spiegeln 234 und 236 zu verändern und so die Hohlraumresonanzfrequenz zu verändern.
• Eine typische, erfindungsgemäß erhaltene Frequenzgangskurve ist in Figur 6 dargestellt, wobei Δ die Bandbreite bei halbem Maximum ist. Die in gestrichelten Linien dargestellten Kurven stellen die gemäß bekannter Verfahren erzielten Ergebnisse dar, wie sie zum Beispiel in US Patent 4 659 224 offenbart sind. Wie dargestellt, erlaubt es die Erfindung einen Frequenzgang zu erhalten, der zwischen ≈ c/4e - Δ flach ist, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und e den Hohlraumabstand und den Spiegelradius angibt. Im Falle des in den Fign. 4 und 5 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiels, zum Beispiel, ist bei einem 1 m langen Hohlraum 220 mit Spiegeln 234, 236, die nahezu 100% und 94% (Bandbreite ≈1,5 MHz) reflektieren, der Frequenzgang zwischen 1,5 MHz und 73,5 MHz. Bei nichtabsorbierenden und nicht streuenden Beschichtungen auf den Spiegeln, ein Zustand, der sich nunmehr durch moderne Beschichtungstechnologien erzielen läßt, zeigen Berechnungen, daß die Ansprechempfindlichkeit und das Signal/Rausch-Verhältnis bei beiden Ausführungsbeispielen größer sind als bei herkömmlichen Konfigurationen. Im Falle des zweiten Ausführungsbeispiels, bei dem der Spiegel 236 100% reflektiert (keine Transmission), ist die Signalstärke ungefähr 4 mal so groß wie die durch die herkömmliche Konfiguration erzielte Peak- Stärke und das Signal/Rausch-Verhältnis für das Erfassen mit begrenzten Photonenrauschen ist doppelt so groß.
• Es ist ebenfalls bekannt, daß phasenkonjugierende Spiegel bei Reflexion eine optische Welle mit einer Wellenfront erzeugen, die im wesentlichen der Wellenfront der einfallenden Welle gleicht. Diese Spiegel bestehen im allgemeinen aus einem nicht linearen optischen Medium, das durch zwei Laserstrahlen optisch gepumpt wird. Solche Spiegel haben die bekannte Eigenschaft, zu bewirken, daß Lichtstrahlen bei Reflexion ihren Einfallsweg zurückverfolgen; anders ausgedrückt, reflektieren sie eine phasenkonjugierte Nachbildung der einfallenden Welle (d.h., eine Welle mit umgekehrter Wellenfront). Eine Phasenkonjugation kann durch einen Vier-Wellen-Mischprozeß in verschiedenen Materialien erfolgen und eine wirksame Anwendung läßt sich in Materialien wie BaTiO&sub3; und Bi&sub1;&sub2;SiO&sub2;&sub0; erzielen, die eine lichtinduzierte Wanderung elektrischer Ladungen zeigen (photorefraktiver Effekt). Bei diesen photorefraktiven Materialien ist die Wanderung der elektrischen Ladungen im allgemeinen ausreichend langsam, so daß die Materialien nicht auf bei Ultraschallfrequenzen erfolgenden Veränderungen der Lichtintensität reagieren können. Hierzu sei verwiesen auf das Buch mit dem Titel "Optical Phase Conjugation", herausgegeben von R.A. Fisher (Academic Press, New York, 1983).
• Um eine Welle zu erhalten, die im wesentlichen der einfallenden Welle gleicht und sich in derselben Richtung ausbreitet, sollte das Licht zweimal auf einen phasenkonjugierenden Spiegel einfallen oder auf zwei phasenkonjugierende Spiegel geleitet werden. Ein solches Ausführungsbeispiel mit zwei phasenkonjugierenden Spiegeln ist schematisch in Figur 7 dargestellt. Dieses Ausführungsbeispiel ist demjenigen von Figur 1 ähnlich, mit der Ausnahme, daß die Seitenbandentfernungseinrichtung 20 und der Spiegel 24 durch die Kombination eines Strahlteilers 325 mit zwei phasenkonjugierenden Spiegeln 327 und 329 ersetzt wurden.
• Figur 7 zeigt den Weg eines gestreuten Laserstrahls 316 (üblicherweise eines zentralen Strahls desselben), der von einem Strahlteiler 318 in zwei Strahlteile 316a und 316b geteilt wird, wobei der Strahlteil 316b als der Meßstrahl dient. Der Strahlteil 316a wird durch die Seitenbandentfernungseinrichtung 320 geleitet, um ihn von Seitenbändern zu befreien und somit am Ausgang einen seitenbandfreien Referenzstrahl 322 zu liefern. Beim Eintreten des Strahlteils 316a in die Seitbandentfernungseinrichtung 320 wird er von dem Strahlteiler 325 in zwei weitere Strahlteile 316c und 316d geteilt, wobei der Strahlteil 316c auf den ersten phasenkonjugierenden Spiegel 327 geleitet wird; der Strahlteil 316d bildet einen weiteren Meßstrahl. Der reflektierte Strahlteil 317, der seitenbandfrei und eine phasenkonjugierte Replik des einfallenden Strahlteils 316c ist, wird von dem Strahlteiler 325 auf den zweiten phasenkonjugierenden Spiegel 329 reflektiert, wo er erneut derart phasenkonjugiert wird, daß die Wellenfront des reflektierten Strahlteils 322 der Wellenfront des gestreuten Strahl 316 und der Meßstrahlen 316b und 316d gleicht. Der als Referenzstrahl dienende Strahlteil 322 wird von dem phasenkonjugierenden Spiegel 329 durch den Strahlteiler 325 geleitet, wo er mit dem Meßstrahl 316d kombiniert wird. Beide Strahlen 316d und 322 werden sodann auf einen Strahlmischer 326 geleitet, wo sie mit dem Meßstrahl 316b kombiniert werden, der von dem Spiegel 328 auf den Strahlmischer 326 reflektiert wird, wobei die kombinierten Strahlen 330 miteinander interferieren, um ein optisches Signal zu erzeugen, das von dem Photodetektor 332 erkannt wird.
• Der Spiegel 328 ist an einem piezoelektrischen Druckelement 340 angebracht, um die optische Weglänge eines der Arme der Mach-Zehnder-Interferometeranordnung derart zu verändern, daß die sich aus der Interferenz der Strahlteile 316b und 316d ergebende Lichtamplitude eine geeignete Phasendifferenz bezüglich der Lichtamplitude des Referenzstrahls 322 aufweist. Die optimale Phasendifferenz ist π/2 oder 3π/2 (Quadraturzustand). Alternativ kann die Phase der Seitenbandentfernungseinrichtung 320 derart eingestellt werden, daß sich die gewünschte Phasendifferenz ergibt und somit einen Wegfall des Strahlteilers 318, des Spiegels 328 und des Strahlmischers 326 ermöglicht. Ein solches Ausführungsbeispiel ist schematisch in Fig. 8 dargestellt.
• Das in Figur 8 dargestellte Ausführungsbeispiel weist einen Strahlteiler 325 und zwei phasenkonjugierende Spiegel 327 und 329 auf, die gleich denjenigen des Ausführungsbeispiels von Figur 7 sind. Die Phasenkonjugation erfolgt im Spiegel 327 durch Pumpen mit zwei sich entgegengesetzt ausbreitenden Strahlen 331 und 333 und im Spiegel 329 durch Pumpen mit zwei anderen sich entgegengesetzt ausbreitenden Strahlen 335 und 337; die Strahlen 331 und 335 bilden Schreibstrahlen, während die Strahlen 333 und 337 Lesestrahlen bilden. Diese sich entgegengesetzt ausbreitenden Strahlen sind aus dem Laser abgeleitet, der das (nicht dargestellte) Werkstück beleuchtet und sind erweitert und/oder fokussiert, um in den phasenkonjugierenden Medien der Spiegel 327 und 329 Interaktionsvolumen geeigneter Größe zu bilden. Die phasenkonjugierenden Spiegel 327 und 329 bestehen aus einem optischen Material mit einer ausreichend langsamen Reaktion auf Brechungsindexphasengitterbildung infolge des Interferenzeffekts zweier Lichtstrahlen. Die adäquate Reaktionszeit liegt in der Größenordnung von 1ms, so daß das phasenkonjugierende Medium den durch Vibrationen und Luftturbulenzen bewirkten Phasenänderungen folgen kann. Eine solche Reaktionszeit läßt sich durch geeignete Auswahl des Materials und der Intensitäten der intergierenden Strahlen erzielen.
• Die Funktionsweise dieses Systems wird durch Verfolgen des Wegs des zentralen Strahls 316 und des schrägverlaufenden Strahls 316', die zum gestreuten Laserstrahl gehören, deutlich. Diese Strahlen werden von dem Strahlteiler 325 in die transmittierten Strahlen 316a, 316'a und die reflektierten Strahlen 316b, 31'b geteilt, die jeweils Seitenbänder aufweisen. Der transmittierte Strahl, der die Strahlen 316a und 316'a enthält, interferiert im ersten phasenkonjugierenden Spiegel 327 mit dem Schreibstrahl 331, um ein Phasengitter zu erzeugen. Der Lesestrahl 333 wird von diesem Phasengitter in einen reflektierten phasenkonjugierten Strahl gestreut, d.h., die reflektierten Strahlen 317 und 317' verfolgen den Weg der Strahlen 316a und 316'a zurück zum Strahlteiler 325, wo sie zum zweiten phasenkonjugierenden Spiegel 329 reflektiert werden. Da das lichtbrechende Material des Spiegels 327 ausreichend langsam ist, können die optischen Seitenbänder kein Phasengitter erzeugen. Da der Lesestrahl 333 ferner nur die Laserfrequenz aufweist, ist der reflektierte phasenkonjugierte Strahl, der die Strahlen 317 und 317' beinhaltet, von Seitenbändern frei.
• Der reflektierte seitenbandfreie Strahl, der die Strahlen 317 und 317' enthält, interferiert im zweiten phasenkonjugierenden Spiegel 329 mit dem Schreibstrahl 335, um ein weiteres Phasengitter zu erzeugen. der Lesestrahl 337 ist gegenüber der Laserfrequenz frequenzverschoben. Eine Frequenzverschiebung bei einer HF-Frequenz (z.B. 40 MHz) ist leicht erreichbar, indem der Strahl durch eine Bragg- oder akusto-optische Zelle geleitet wird. Der Lesestrahl 337 erzeugt somit einen von dem Spiegel 329 reflektierten frequenzverschobenen Strahl, der eine phasenkonjugierte Replik des einfallenden Strahls ist, d.h., die reflektierten Strahlen 322 und 322' verfolgen den Weg der Strahlen 317 und 317' zum Strahlteiler 325 zurück. Der Strahlteiler transmittiert die den Strahlen 316b und 316'b überlagerten Strahlen 322 und 322', wodurch eine Interferenz dieser Strahlen bewirkt wird. Daher existiert eine Interferenz zwischen einem Strahl mit Seitenbänder, der direkt von dem Strahlteiler 325 reflektiert wird und die Strahlen 316b und 316'b aufweist, und einem von Seitenbändern freien, frequenzverschobenen Referenzstrahl, der von den beiden phasenkonjugierenden Spiegeln erzeugt wird und die Strahlen 322, 322' aufweist, wobei diese beiden Strahlen Wellenfronten aufweisen, die sich im wesentlichen gleichen. Durch diese Anordnung ist somit ein großes Étendue erzielbar. Die kombinierten Strahlen 330, 330' werden von dem Photodetektor 332 empfangen, der ein elektrisches Signal mit der Offset-Frequenz (z. B. 40 MHz) liefert, das proportional zur transienten Oberflächenbewegung moduliert ist. Eine elektronische Demodulierung unter Verwendung eines Systems, das in US Patent 4 633 715, erteilt am 6. Januar 1987, mit dem Titel "Laser Heterodyne Interferometric Method and System For Measuring Ultrasonic Displacements", ergibt ein Signal, das zur transienten Oberflächenbewegung proportional ist.
• Es sei darauf hingewiesen, daß der von dem phasenkonjugierenden Spiegel 329 reflektierte Strahl auch von dem Strahlteiler 325 auf den phasenkonjugierenden Spiegel 327 reflektiert wird. Da er bei hoher Frequenz frequenzverschoben wurde, erzeugt er bei Interferenz mit den Strahlen 331 und 333 aufgrund der langsamen Reaktion des optischen Materials kein Phasengitter. Daher bilden die beiden phasenkonjugierenden Spiegel 327 und 329 sowie der Strahlteiler 325 in diesem Fall keinen Resonanzhohlraum.
• Die Erfassungsbandbreite einer solchen Anordnung ist in niederfrequenten Bereich durch die Reaktionszeit des phasenkonjugierenden Materials und der Niederfrequenzgrenzen der elektronischen Demodulierungsschaltung begrenzt. In er Praxis sind untere Grenzen zwischen 100 Hz und 10KHz erzielbar. Im hochfrequenten Bereich ist sie durch die Offset-Frequenz begrenzt, die in der Praxis sehr hoch sein kann, d.h., bis zu 1 GHz sind durch gegenwärtig erhältliche Bragg-Zellen erzielbar. Diese Anordnung schafft daher ein großes Étendue und eine große Frequenzbandbreite, die sich zu Frequenzen weit unter 1MHz erstreckt, und stellt daher eine erhebliche Verbesserung gegenüber allen bekannten Anordnungen dar.
• Eine Variante dieses Ausführungsbeispiels besteht darin, den Frequenz-Offset aus dem Schreibstrahl 337 zu entfernen, jedoch seine Phase zu steuern, indem er zum Beispiel von einem Spiegel, der auf einem piezoelektrischen Druckelement angeordnet ist, reflektiert wird, um zu bewirken, daß die Anordnung aus den beiden phasenkonjugierenden Spiegeln und dem Strahlteiler einen von Seitenbändern freien Strahl in Quadratur mit dem direkt von dem Strahlteiler reflektierten Strahl ergibt. Alternativ kann die Phase der Strahlen 331, 333 und 335 gesteuert werden. Eine geeignete Art der Anwendung dieser phasenstabilisierung ist das Mischen des gestreuten Strahls mit einem direkt aus dem Laser abgeleiteten Strahl und das Senden dieses Strahls durch die Kombination aus Strahlteiler und phasenkonjugierenden Spiegeln. Der Stabilisierungsstrahl wird am Ausgang von einem Stabilisierungsdetektor empfangen und von dem gestreuten Strahl zum Bespiel durch polarisierende Strahlteiler unterschieden. Eine bekannte Stabilisierungsanordnung, das in homodynen Zwei-Wellen-Interferometen zum Erfassen von Ultraschall verwendet wird, ist sodann anwendbar. Solche Anordnungen sind in dem Artikel "Optical Detection of Ultrasound" beschrieben, der in IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, Band UFCC-33, September 1986, S. 485 - 499, veröffentlicht ist. Die einfachste Vorgehensweise besteht darin, das piezoelektrische Druckelement, das den Lesestrahl 337 reflektiert, in Schwingungen zu versetzen, um die Stabilisierungsdetektor-Ausgangsspannung zu ermitteln, die der Quadratur (d.h., dem Streifen-Nulldurchgang) entspricht. Ein elektronisches Stabilisierungsnetzwerk verwendet diese Spannung sodann als Referenzspannung zum Steuern der Position des piezoelektrischen Druckelements. Dies ist analog zu dem in Figur 3 für die Mach-Zehnder-Konfiguration dargestellten Stabilisierungsvorgang.
• Es sei darauf hingewiesen, daß aufgrund des Quadraturzustands, eine Resonanz zwischen den beiden phasenkonjugierenden Spiegeln 327 und 329 vermieden wird. Ferner ist in diesem Fall die Erfassungsbandbreite in Richtung der höheren Frequenzen nur durch die Frequenzgrenze des Signaldetektors limitiert.
• Obwohl das zuvor beschriebene Verfahren und die Systeme primär zur Verwendung beim Erfassen von transienter Bewegung von Oberflächen fester Körper bestimmt ist, sind sie ebenfalls zum Erfassen der Dichte oder der Druckschwankungen im Gas- oder Luftweg zwischen einer Laserquelle und einem Empfänger verwendbar. Die beschriebene optische Erfassungstechnik ist besonders zum Erfassen der Hochfrequenz-Komponenten dieser Schwankungen geeignet.

Claims (32)

1. Verfahren zum optischen Erfassen transienter Bewegung einer streuenden Oberfläche (14), gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:

(a) Richten eines Laserstrahls (10, 10a) mit einer vorbestimmten Frequenz auf die Oberfläche, um den Laserstrahl zu streuen und einen gestreuten Laserstrahl (16, 116, 216, 316) zu erzeugen, der eine optische Wellenfront bildet und ein optisches Spektrum mit einem zentralen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und einem Seitenband auf jeder Seite des zentralen Peaks aufweist;

(b) Bewirken einer Interferenz zwischen dem von der Oberfläche gestreuten Laserstrahl und einem Referenzstrahl (22, 122, 222, 322), der aus dem gestreuten Laserstrahl abgeleitet ist und eine optische Wellenfront, die im wesentlichen der Wellenfront des gestreuten Strahls gleicht, und ein optisches Spektrum mit einem einzigen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und ohne Seitenbänder aufweist, um ein optisches Signal zu erhalten; und

(c) Erfassen des optischen Signals und Umwandeln desselben in ein die transiente Bewegung repräsentierendes elektrisches Signal.

2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem Schritt (b) durchgeführt wird, indem der gestreute Laserstrahl in einen ersten und einen zweiten Teil (16b, 116b, 316b; 16a, 116a, 316a) des gestreuten Strahls geteilt wird, die jeweils ein optisches Spektrum mit dem zentralen Peak und Seitenbändern aufweisen, die Seitenbänder des zweiten Teils (16a, 116a, 316a) entfernt werden, um einen von Seitenbändern freien Strahlteil zu erhalten, der den Referenzstrahl bildet, und der erste Teil (16b, 116b, 316b) des gestreuten Strahls mit dem Referenzstrahl kombiniert wird, um Interferenz zu bewirken und dadurch das optische Signal zu liefern.

3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Seitenbänder von dem zweiten Teil des gestreuten Strahls entfernt werden, indem der zweite Teil des gestreuten Strahls durch einen optischen Resonatorhohlraum (20, 120, 320), der eine Reflexionsseite und eine Durchlaßseite aufweist, derart geleitet wird, daß der an der Durchlaßseite des Resonatorhohlraums austretende Strahlteil ein optisches Spektrum mit einem einzigen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und ohne Seitenbänder aufweist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, bei dem der optische Resonatorhohlraum ein Hohlraum vom konfokalen Typ ist, der in ein Zwei-Wellen-Interferometer von Mach-Zehnder-Konfiguration optisch integriert ist, welches zwei optische Arme hat und eine Strahlteilereinrichtung (18, 118, 318) und eine Strahlmischeinrichtung (26, 126, 326) aufweist, die zum Liefern überlagerter Bilder der Strahlmischeinrichtung in jedem optischen Arm des Interferometers angeordnet sind.

5. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der gestreute Laserstrahl durch einen Strahlteiler (18, 118, 318) in den ersten und den zweiten Teil des gestreuten Strahls geteilt wird, wobei der erste Teil des gestreuten Strahls von einem ersten Spiegel (28, 128, 328) zu einem Strahlmischer (26, 126, 326) reflektiert wird, und bei dem der zweite Teil des gestreuten Strahls durch den konfokalen Hohlraum geleitet wird und der an der Durchlaßseite des konfokalen Hohlraums austretende Strahlteil von einem zweiten Spiegel (24, 124) auf den Strahlmischer reflektiert wird, wo er mit dem von dem ersten Spiegel reflektierten ersten Teil des gestreuten Strahls kombiniert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 4, bei dem der konfokale Hohlraum eine Hohlraumresonanzfrequenz hat, die auf die vorbestimmte Frequenz eingestellt ist und bei der die Mach-Zehnder-Konfiguration auf den Mittelstreifen-Nulldurchgangspegel eingestellt ist.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Einstellungen unter Verwendung eines phasenmodulierten Stabilisierungsstrahls (150) erfolgen, der aus dem Laserstrahl abgeleitet und von diesem verschieden polarisiert ist.

8. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem der Schritt (b) durchgeführt wird, indem der gestreute Laserstrahl durch einen optischen Resonatorhohlraum (220) mit einer Reflexionsseite und einer Durchlaßseite geleitet wird, wodurch der gestreute Strahl beim Eintritt in den optischen Resonatorhohlraum in einen reflektierten Strahlteil (217) und einen transmittierten Strahlteil (253) geteilt wird, die jeweils ein optisches Spektrum mit dem zentralen Peak und den Seitenbändern aufweisen, wobei der transmittierte Strahlteil an der Reflexionsseite des optischen Resonatorhohlraums als von Seitenbändern freier, den Referenzstrahl bildender Strahlteil austritt, welcher mit dem reflektierten Strahlteil kombiniert wird, um Interferenz zu bilden und dadurch das optische Signal zu liefern.

9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem der optische Resonatorhohlraum ein Hohlraum vom konfokalen Typist.

10. Verfahren nach Anspruch 9, bei dem der konfokale Hohlraum einen Hohlraumresonanzdurchlaßpeak mit zwei Flanken hat und einen ersten und einen zweiten bewegbaren konkaven Spiegel (234, 236) von gleichem Radius aufweist, die voneinander um eine Strecke beabstandet sind, die gleich ihrem Radius ist, und bei dem der erste und der zweite Spiegel relativ zueinander bewegt werden, um den Abstand zwischen ihnen zu verändern und dadurch die Frequenzlage des Hohlraumresonanzdurchlaßpeaks zu verändern.

11. Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Hohlraumresonanzdurchlaßpeak in bezug zur vorbestimmten Frequenz derart eingestellt ist, daß die vorbestimmte Frequenz auf einer der Flanken des Hohlraumresonanzdurchlaßpeaks liegt.

12. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Seitenbänder aus dem zweiten Teil des gestreuten Strahls entfernt werden, indem der zweite Teil des gestreuten Strahls zur Reflexion auf einen ersten phasenkonjugierten Spiegel (327) gerichtet wird, und der reflektierte Strahlteil zur Reflexion auf einen zweiten phasenkonjugierenden Spiegel (329) gerichtet wird, um dadurch einen reflektierten, von Seitenbändern freien Strahlteil zu erhalten, der den Referenzstrahl bildet, wobei der erste und der zweite phasenkonjugierende Spiegel aus einem Material bestehen, das infolge von Lichtinterferenz eine langsame Brechungsindexphasengitterbildung aufweist.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der zweite phasenkonjugierende Spiegel durch einen Schreibstrahl (335) und einen Lesestrahl (337), die aus dem Laserstrahl abgeleitet sind, gepumpt wird, und bei dem der Lesestrahl relativ zur vorbestimmten Frequenz um eine Offset-Frequenz derart phasenverschoben wird, daß das elektrische Signal bei der Offset-Frequenz variiert und eine Phasenmodulation aufweist, welche die transiente Bewegung repräsentiert.

14. Verfahren nach Anspruch 12, bei dem der erste und der zweite phasenkonjugierende Spiegel jeweils von einem Schreibstrahl (335) und einem Lesestrahl (337), die aus dem Laserstrahl abgeleitet sind, gepumpt werden, und bei dem die Phase eines Schreib- oder Lesestrahls zur Bildung eines Strahls gesteuert ist, der gegenüber dem ersten Teil des gestreuten Strahls um 90º phasenverschoben ist und den Referenzstrahl bildet.

15. Vorrichtung zum optischen Erfassen transienter Bewegung einer streuenden Oberfläche (14), gekennzeichnet durch:

- eine Laserquelleneinrichtung (l2) zum Erzeugen eines Laserstrahls (10) mit einer vorbestimmten Frequenz und Richten desselben auf die Oberfläche, um den Laserstrahl zu streuen und einen gestreuten Laserstrahl (16, 116, 216, 316) zu erzeugen, der eine optische Wellenfront bildet und ein optisches Spektrum mit einem zentralen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und einem Seitenband auf jeder Seite des zentralen Peaks aufweist;

- eine optische Einrichtung zum Ableiten eines Referenzstrahls (22, 122, 222, 322) aus dem gestreuten Laserstrahl, wobei der Referenzstrahl eine optische Wellenfront, die im wesentlichen der Wellenfront des gestreuten Strahls gleicht, und ein optisches Spektrum mit einem einzigen Peak bei der vorbestimmten Frequenz und ohne Seitenbänder aufweist, und zum Bewirken einer Interferenz zwischen dem gestreuten Laserstrahl und dem Referenzstrahl, um ein optisches Signal zu erhalten; und

- eine Detektoreinrichtung (32, 132, 166, 332) zum Erfassen des optischen Signals und zum Umwandeln desselben in ein die transiente Bewegung repräsentierendes elektrisches Signal.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die optische Einrichtung aufweist: eine Strahlteilereinrichtung (18, 118, 318) zum Teilen des gestreuten Laserstrahls in einen ersten und einen zweiten Teil des gestreuten Laserstrahls, die jeweils ein optisches Spektrum mit dem zentralen Peak und den Seitenbändern aufweisen; eine Seitenbandentfernungseinrichtung (20, 120, 320) zum Entfernen der Seitenbänder aus dem zweiten Teil des gestreuten Strahls (16a, 116a, 316a), um einen von Seitenbändern freien Strahlteil zu erhalten, der den Referenzstrahl bildet; und eine Strahlmischeinrichtung (26, 126, 326) zum Kombinieren des ersten Teils (16b, 116b, 216b) des gestreuten Strahls mit dem Referenzstrahl, um Interferenz zu bewirken und dadurch das optische Signal zu liefern.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Seitenbandentfernungseinrichtung einen optischen Resonatorhohlraum mit einer Reflexionsseite und einer Durchlaßseite aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei der der optische Resonatorhohlraum ein Hohlraum vom konfokalen Typ mit einer Hohlraumresonanzfrequenz ist, der in ein Zwei- Wellen-Interferometer von Mach-Zehnder-Konfiguration optisch integriert ist, welches zwei optische Arme hat und die Strahlteilereinrichtung und die Strahlmischeinrichtung aufweist, und bei der die Strahlteilereinrichtung und die Strahlmischeinrichtung zum Liefern überlagerter Bilder der Strahlmischeinrichtung in jedem optischen Arm des Interferometers angeordnet sind.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der das Interferometer ferner einen ersten Spiegel (28, 128, 328) zum Reflektieren des ersten Teils des gestreuten Strahls auf die Strahlmischeinrichtung und einen zweiten Spiegel (24, 124) zum Reflektieren des an der Durchlaßseite des konfokalen Hohlraums austretenden Referenzstrahls auf die Strahlmischeinrichtung aufweist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 19, bei der der erste und der zweite Spiegel relativ zueinander zur Veränderung der optischen Weglängen der Inteferometerarme bewegbar sind.

21. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei der der konfokale Hohlraum zwei konkave Spiegel (134, 136) von gleichem Radius aufweist, die voneinander um eine Strecke beabstandet sind, die gleich ihrem Radius ist, wobei die Spiegel relativ zueinander bewegbar sind, um den Abstand zwischen ihnen zu verändern und dadurch die Hohlumresonanzfrequenz zu verändern.

22. Vorrichtung nach Anspruch 21, ferner mit einer Stabilisierungseinstelleinrichtung (138) zum Einstellen der Hohlraumresonanzfrequenz des konfokalen Hohlraums auf die vorbestimmte Frequenz und einer zweiten Stabilisierungseinstelleinrichtung (140) zum Einstellen der Mach-Zehnder-Konfiguration auf den Mittelstreifen-Nulldurchgangspegel.

23. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die optische Einrichtung einen optischen Resonatorhohlraum mit einer Reflexionsseite und einer Durchlaßseite aufweist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 23. bei der der optische Resonatorhohlraum ein Hohlraum vom konfokalen Typ ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 24, bei der der konfokale Hohlraum einen ersten und einen zweiten konkaven Spiegel (234, 236) von gleichem Radius aufweist, die voneinander um eine Strecke beabstandet sind, die gleich ihrem Radius ist, wobei der erste Spiegel eine Strahlteiler-/-mischeinrichtung zum Teilen des gestreuten Laserstrahls in einen reflektierten Strahlteil (217) und einen transmittierten Strahlteil (253) bildet, die jeweils ein optisches Spektrum mit dem zentralen Peak und den Seitenbändern aufweisen, derart, daß der von dem ersten Spiegel in den konfokalen Hohlraum transmittierte Strahlteil an dessen Reflexionsseite als von Seitenbändern freier, den Referenzstrahl bildender Strahlteil austritt, und zum Kombinieren des reflektierten Strahlteils mit dem Referenzstrahl, um Interferenz zu bewirken und dadurch das optische Signal zu liefern.

26. Vorrichtung nach Anspruch 25, ferner mit einem Polarisierungs-Strahlteiler (218), der mit dem konfokalen Hohlraum zum Transmittieren des gestreuten Laserstrahls zum konfokalen Hohlraum und zum Reflektieren der an der Reflexionsseite des konfokalen Hohlraums austretenden kombinierten Strahlen zur Detektoreinrichtung optisch gekoppelt ist.

27. Vorrichtung nach Anspruch 25, bei der der konfokale Hohlraum einen Hohlraumresonanzdurchlaßpeak mit zwei Flanken hat und bei der der erste und der zweite Spiegel relativ zueinander bewegbar sind, um den Abstand zwischen ihnen zu verändern und dadurch die Frequenzlage des Hohlraumresonanzdurchlaßpeaks zu verändern.

28. Vorrichtung nach Anspruch 27, ferner mit einer Stabilisierungseinstelleinrichtung (238) zum Einstellen des Hohlraumresonanzdurchlaßpeaks in bezug zur vorbestimmten Frequenz, derart, daß die vorbestimmte Frequenz auf einer der Flanken des Hohlraumresonanzdurchlaßpeaks liegt.

29. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei der die Seitenbandentfernungseinrichtung einen partiell durchlässigen Spiegel und zwei phasenkonjugierende Spiegel aufweist, die jeweils aus einem Material bestehen, das infolge von Lichtinterferenz eine langsame Brechungsindexphasengitterbildung aufweist, wobei der partiell durchlässige Spiegel und der erste und der zweite phasenkonjugierende Spiegel derart relativ zueinander angeordnet sind, daß der erste phasenkonjugierende Spiegel den zweiten Teil des gestreuten Strahls auf den partiell durchlässigen Spiegel reflektiert, welcher ihn seinerseits auf den zweiten phasenkonjugierenden Spiegel reflektierten,um einen reflektierten, von Seitenbändern freien Strahlteil, der den Referenzstrahl bildet, zu erhalten.

30. Vorrichtung nach Anspruch 15, bei der die optische Einrichtung einen Strahlteiler (325) und zwei phasenkonjugierende Spiegel (327, 329) aufweist, die aus einem Material bestehen, das infolge von Lichtinterferenz eine langsame Brechungsindexphasengitterbildung aufweist, wobei der Strahlteiler und der erste und der zweite phasenkonjugierende Spiegel derart relativ zueinander angeordnet sind, daß der Strahlteiler den gestreuten Laserstrahl in einen ersten und einen zweiten Teil des gestreuten Strahls teilt, die jeweils ein optisches Spektrum mit dem zentralen Peak und den Seitenbändern aufweisen, und der erste phasenkonjugierende Spiegel den zweiten Teil des gestreuten Strahls auf den Strahlteiler zurück reflektiert, welcher ihn seinerseits auf den zweiten phasenkonjugierenden Spiegel reflektiert, um einen reflektierten, von Seitenbändern freien Strahlteil, der den Referenzstrahl bildet, zu erhalten, welcher durch den Strahlteiler transmittiert und mit dem ersten Teil des gestreuten Strahls kombiniert wird, um Interferenz zu bewirken und dadurch das optische Signal zu liefern.

31. Vorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, bei der der zweite phasenkonjugierende Spiegel durch einen Schreibstrahl (335) und einen Lesestrahl (337), die aus dem Laserstrahl abgeleitet sind, gepumpt ist, und bei der die Vorrichtung ferner eine Frequenzverschiebungseinrichtung zum Verschieben der Frequenz des Lesestrahls relativ zur vorbestimmten Frequenz um eine Offset- Frequenz aufweist, derart, daß das elektrische Signal bei der Offset-Frequenz variiert und eine Phasenmodulation aufweist, welche die transiente Bewegung repräsentiert.

32. Vorrichtung nach Anspruch 30, bei der der erste und der zweite phasenkonjugierende Spiegel jeweils von einem Schreibstrahl (331, 335) und einem Lesestrahl (333, 337), die aus dem Laserstrahl abgeleitet sind, gepumpt sind, und bei der die Vorrichtung ferner eine Einrichtung zum Steuern der Phase eines Schreib- oder Lesestrahls aufweist, um einen Strahl zu erzeugen, der gegenüber dem ersten Teil des gestreuten Strahls um 90º phasenverschoben ist und den Referenzstrahl bildet.