DE3306709A1

DE3306709A1 - Verfahren zur messung der optischen laenge einer lichtwegstrecke und laserinterferometer zur durchfuehrung dieses verfahrens

Info

Publication number: DE3306709A1
Application number: DE19833306709
Authority: DE
Inventors: Stanislav Konstantinovi&ccaron; Lytkarino Moskovskaja oblast' &Scaron;tandel; Jurij Aleksandrovi&ccaron; Bliznjuk; Vladimir Petrovi&ccaron; Kule&scaron;; Leonid Matusovi&ccaron; Moskalik; Anatolij Antonovi&ccaron; &Zcaron;ukovskij Moskovskaja oblast' Orlov
Original assignee: STANDEL STANISLAV KONSTANTINOVIC
Current assignee: STANDEL STANISLAV KONSTANTINOVIC
Priority date: 1983-02-22
Filing date: 1983-02-25
Publication date: 1984-08-30
Also published as: US4558952A; FR2541447B1; FR2541447A1; DE3306709C2

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER OPTISCHEN LÄNGE EINER LICHTWEGSTRECKE UND LASERINTERFEROMETER ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS

Die Erfindung betrifft die Meßtechnik und bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs und ein Laserinterferometer zur Durchführung dieser Verfahren.

Die Erfindung kann in der Aerodynamik zur Untersuchung von Feldern der Dichte eines Gases bei dessen Strömung in Kanälen oder bei dessen Umströmung eines Flugzeuges; in der Hydromechanik zur Forschung von Oberflächenwellen oder Bewegungen geschichteter Flüssigkeiten; in der Optik zur Kontrolle der Oberflächenform optischer Elemente und der Homogenität optischer Werkstoffe; in der Mechanik und Maschints&.bauindustrie zum Ermittlung geometrischer Parameter von Objekten verschiedener Zweckbestimmung, der Verschiebung und Verformung derselben sowie auf vielen anderen. Gebieten der Wissenschaft und Technik weitgehend verwendet werden.

Die Erfindung wird am effektivsten

dann benutzt, wenn eine präzise berührungslose automatische Messung der optischen Länge des Lichtwegs oder einer mit dieser eindeutig zusammenhängenden Größe beim Vorliegen von fremden, mechanischen, akustischen, thermischen und anderen Einwirkungen erfordert wird.

Die optische Länge Q des Lichtwegs innerhalb einer Strecke eines Lichtstrahls wird sowohl durch die geometrische Länge 1 dieser Strecke als auch durch die Verteilung des Brechungsindexes η des Mediums längs des Strahls auf dieser Strecke bestimmt;

CD,

wobei» \ die Wellenlänge des Lichtes ist.

Bei bekannter geometrischer Länge der Wegstrecke 1 des Lichtstrahls erlaubt das Meßergebnis der opti- . sehen Länge $ des Lichtwegs es, innerhalb der gesam^· ten Strecke des Lichtstrahls den mittleren Wert des Brechungsindexes des Mediums zu bestimmen, der seinerseits die Möglichkeit bietet, die mittlere Dichte

einer Flüssigkeit oder eines Gases, die Homogenität optischer Werkstoffe, einer chemischen Zusammensetzung usw. sowie die Verteilungen dieser Größen in zum Licht strahl senkrechten Richtungen und deren zeitliche Änderungen zu bestimmen.

Bei bekannter Verteilung des Brechungsindexes η des Mediums ermöglicht die zu messende optische Länge 0 des Lichtwegs die Bestimmung der geometrischen Länge 1 der Strecke des Lichtstrahls und kann als Basis bei der Ermittlung geometrischer Parameter des zu untersuchenden Objektes und der Bewegung desselben genommen werden.

Dementsprechend ist die Messung der optischen Län ge des Lichtwegs eine aktuelle, aber ziemlich komplizierte Aufgabe der modernen Technik.

Es ist eine Vielzahl von Verfahren und Einrichtungen zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs bekannt, welche Beugungs-, Refraktions-, Interferenzerscheinungen, die Laser-, holographische, elektroni- sehe und Rechentechnik ausnutzen·

Bekannt sind Schattenverfahren von Dvorak und. Tepler zur Feststellung der Inkonstanz der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt des Lichtbündels (Ί. Reihardt "Kontrolle der Homogenität optischer Werkstoffe", Zeitschrift "Jenaer Rundschau", • Wr. 3, 1978, S. 137). Beim Dvorakschen Verfahren bringt- man das zu untersuchende Medium zwischen einer Lichtquelle kleinen Durchmessers und einem Schirm unter. Durch Änderung der optischen Länge des Lichtwegs von der Lichtquelle zum Schirm in der zum Lichtstrahl senkrechten Richtung wird eine Ablenkung der Ausbreitungsrichtung des Lichtes hervorgerufen. Deswegen entstehen an derjenigen Stelle des Schirmes, die sich auf der Verlängerung des eine optische Inhomogenität passierten Lichtstrahls befindet, Lichtintensitätsgefälle, welche in direkter Abhängigkeit von der zweiten

Ableitung -~—■%— der optischen Länge des Lichtwegs of"

nach einer räumlichen Koordinate ρ = (x,y) im Querschnitt des Lichtbündels stehen. Die exakte. Abhängigkeit der Intensität von der optischen Länge des Lichtwegs ist sehr kompliziert, deshalb ist es bei diesem Verfahren nicht möglich, quantative Daten unmittelbar zu erhalten.

Bei dem !Tepler-Schattenverf ahren wird das ein zu untersuchendes Medium passierte Lichtbündel fokussiert, bis eine Abbildung der Lichtquelle erhalten wird, und wird dann diese umgewandelt, bis ein Bild des Prüflings auf dem Schirm auftritt. In der Ebene, in welcher die Abbildung der Lichtquelle erhalten ist, führt man eine optische Filtrierung durch· In den meisten Fällen wird die ungestörte Abbildung der Lichtquelle zum Schirm nicht durchgelassen, während die durch die optische.

Inhomogenität abgelenkten Lichtstrahlen auf dem Schirm ein Bild der optischen Inhomogenität in .b'orm einer hellen Kontur auf dunklem Untergrund erzeugen. Jedoch ist ein solches Verfahren empfindlich gegenüber der ersten Ableitung der optischen Länge des Lichtwegs nach der räumlichen Koordinate, d.h. gegenüber dem Gradientengrad 0 der optischen weglänge. Die Gradientengröße läßt sich durch Anordnung von Zonen-Lichtfiltern oder Blenden mit vielen öffnungen in der Bildebene der Lichtquelle angenähert erfassen. Die im Sepler-Verfahren erreichbare Meßgenauigkeit ist sehr gering und es erweist sich hierbei als unmöglich, die optische Weglänge in homogenen optischen Medien qualitativ zu untersuchen. Bekannt sind Verfahren zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs, welche die Interferenz zweier Lichtbündel ausnutzen, von denen das eine durch das zu untersuchende Medium und das andere- das Vergleichsbünde1-durch ein üblicherweise homogenes Medium, das einen bekannten Brechungsindex aufweist und in dem der Lichtweg eine bekannte geometrische Länge hat, durchgelassen wird. Bekannt sind ferner Zweistrahlinterferometer vom Michelson-, luach-Zehnder-Typ u.a., die zur Durchführung

dieser Verfahren dienen [A.A. Michelson, Auier.

I. Sei., 22, 120, 1881; Phil. Mag., 1^, 236, 1882, sowie L. Zehnder, Z-Jb*. Instrkde_? 11_, 275» I09I j L. Mach, Z.F. Instrkde, ,12, 89, 1892). Das Licht des Vergleichsbündels, das die bekannte Strecke mit geometrischer Länge 1 im Medium mit bekanntem Brechungsindex η zurückgelegt hat, erfährt eine Phasenverzögerung der Lichtwelle, die gleich der optischen Länge Q des Lichtwegs auf dieser Vergleichsstrecke

,C ^2/IVo

' ist. Das Licht des Meßbündels erfährt eine Phasenverzögerung, die gleich der optischen Länge ü auf der Meßstrecke mit einer geometrischen Länge 1 im Medium

•je; mit einem Brechungsindex η ist. Das Meß- und das Vergleichsbündel werden durch die Wellenfronten einander überlagert, so daß deren Interferenz stattfindet und ein Interferenzbild mit einer periodischen Intensitätsverteilung J (ß) im Querschnitt des interferieren- den Meß- und Vergleichsbündels gebildet wird, welche mit der Verteilung der optischen Länge

(J ( /D) = η (β) l(ß) des Lichtwegs im Querschnitt des Meßbündels wie folg"ü verbunden ist:

J{ß ) = J(ß) J 1 + cos [tf ( ß) -O₀Jj) worin Q der Radiusvektor für die Koordinaten der Punkte im .Querschnitt der interferierenden Bündel und J" (/D) die- Verkeilung der mittleren Intensität eines Interferenzbildes ist.

Das Interferenzbild stellt eine Schar von abwechselnden dunklen / J(JO ) = 0 / und hellen / J(ß) * 2J_Q(ß) / Interferenzstreifen dar, die Linien gleicher Werte Q (JD) der optischen Länge des Lichtwegs des Meßbündels sind:

Ö-τΛρ) =q -/LlJ - constj wobei N = 0,+1,+2,+ ist.

Den genannten Verfahren und solchen Zweistrahlinterferometern haften folgende gemeinsame Nachteile ans

- UnbestimmtJaeit des Vorzeichens der Änderung der Differenz zwischen den optischen Weglängen des .Meß- und des Vergleichsbündeis;

- komplizierte, arbeitsaufwendige und zeitraubende Auswertung des Interferenzbildes, bedingt durch

• die Notwendigkeit der pho"cographischen Registrierung dieses Interferenzbildes und einer anschließenden Auswertung des Interferograrnma, die meist "manuell", d.h. durch visuelle Ablesung der Interferenzstreifen vorgeno mine η wird;

- geringe Meßgenauigkeit, bedingt durch die ITo twendigkeit der Messungen der Lichtintensität im Interferenzfeld oder der photographischen Schwärzung der Ehotoschicht im Interferogramm, auf welche Ungleichmäßigkeit und Instabilität der Lichtquelle, Verschmutzung des optischen Systems des Interferometers, Defekte, Körnung und Wichtlinearität des Photomaterials u.a. sowie subjektiver Paktor bei "manueller" Auswertung des Interferogramms einen großen Einfluß ausüben; - schwierige Gewährleistung des bekannten Wertes Q der optischen Länge des Lichtwegs des .Vergleichsbündels und der Konstanz dieses Wertes im Querschnitt des Vergleichsbündels und in der Zeit, besonders bei der Durchführung der· Messungen bei großen

2Jj fremden Vibrationen, akustischen Störungen, Schwankungen solcher Parameter der Umgebung wie Temperatur., Druck, Dichte, beim Vorhandensein von Luftströmen usw.;

- Kompliziertheit und hohe Kosten der optischen Systeme der Zweistrahlinterferometer, die eine ausreichende Stabilität sichern und besonders zur Untersuchung großer Interferenzfelder bestimmt sind.

^Bekannt ist ein Verfahren zur Messung der opti-.sehen Lange des Lichtwegs durch Interferenz zweier Bündel kohärenten Lichtes, eines Meß- und eines Vergleichsbündels, bei -welchem die Lichtfrequenz des einen 3ündels gegenüber der Lichtfrequenz des anderen um eine vorgegebene Größe Q. verschoben wird, die im Rund-

V ■ W ■ · — · *· W W V « ·■* * ·

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funkfrequenzbereich liegt, und bei Registrierung des Interferenzbildes eine photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes vorgenommen und eine Phase der vVechselstromkomponente des erhaltenen elektrischen Signals gemessen wird, nach der man über, die optische Länge des Lichtwegs im Meßbündel urteilt. Es ist auch ein Laserinterferometer bekannt, das zur Durchführung dieses Verfahrens bestimmt ist (siehe z.B. U.A. Massie, Applied Optics, 19, 1, 1980, Seiten 154 bis 160).

Das Wesen des Verfahrens und die Wirkungsweise des Interferometers bestehen darin, daß man mit Hilfe eines Lasers und eines optischen Prequenzmodulators ein kohärentes Lichtbündel mit zwei Komponenten erzeugt und die Lichtfrequenz der einen Komponenten gegenüber der Lichtfrequenz d) der anderen um den vorgsgebenen Betragt verschiebt, die genannten Komponenten mit verschiedenen Frequenzen in ein Vergleichs- und ein Meßbündel aufteilt, wobei das Meßbündel durch die zu untersuchende Wegstrecke und das Vergleichsbündel durch die Strecke mit bekannter optischer Weglänge O durchgelassen wird, worauf die Bündel vereinigt wird. Durch Interferenz zweier Lichtwellen mit verschiedenen Frequenzen ώ und d) + Q. und verschiedenen Phasen ο und Q (ρ ) ergibt sich ein Interferenzbild, in dem die In-

tensität in seinem jeden Punkt /0 durch folgenden Ausdruck beschrieben wird;

j(jo,t) = J_o(p){i + cos[52t - (S(f>) - S₀)]] ,

wobei t die Zeit ist.

Das elektrische Signal, welches vom photoelektrisehen Wandler in diesem Punkt abgenommen wird, besitzt, wie aus dem oben angeführten Ausdruck zu ersehen ist, einen tfechselstromanteil mit einer Frequenz 52 , die gleich der Differenz der Frequenzen Cu und u) + Q. ist, und eine Phase, die gleich der Phasendifferenz ' Ao = 0 ( /3) - 0 der interferierenden Bündel ist.

Bei einem solchen Verfahren entfallen die photographische Registrierung und die anschließende Aus-

wertung des Bildes, das Maßergebnis der Phase des elektrischen Signals kann in Form eines Ziffernkodes an einem Digitalanzeiger angezeigt oder unmittelbar in einen Computer zur mitlaufenden Verarbeitung von Daten und zu deren Speicherung eingegeben werden. Die Meß-■ genauigkeit der Phase des elektrischen Signals, welche durch rundfunktechnische Phasenmeßmittel sichergestellt wird, ist sehr hoch, darüber hinaus werden die Messungen automatisch vorgenommen, deswegen gibt es keinen subjektiven Paktor, was auch zu einer Erhöhung der Genauigkeit und Sicherheit der erhaltenen Information über die optische Länge des Lichtwegs beiträgt. Dieses Verfahren ist empfindlich gegen das Vorzeichen der Änderung der optischen Weglänge.

Diesem Verfahren und dem Interferometer sind Jedoch die Nachteile der Zweistrahlinterferometer eigen, die mit der Kompliziertheit und hohen Kosten des optischen Systems sowie mit der Gewährleistung der geforderten Stabilität und Störunempfindlichkeit besonders unter komplizierten Bedingungen verbunden sind, die von mechanischen, akustischen, thermischen und anderen fremden Einwirkungen begleitet werden.

Es ist ferner ein Verfahren 'zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs durch Mehrstrahlinterferenz ... 25 bekannt, bei der man ein Bündel kohärenten Lichtes erzeugt, aus diesem Bündel interferierende Bündel so formiert, daß jedes nachfolgende interferierende Bündel gebildet wird, indem ein Teil des Lichtes des vorhergehenden interferierenden Bündels abgesondert und der abgesonderte Lichtteil durch dieselbe Wegstrecke durchgelassen wird, und das erhaltene Interferenzbild registriert (z.B. M. Born, E. Wolf, Principles of Optics. Pergamon Press, 1968).

Üblicherweise ist eine solche Wegstrecke des Liehtes zwischen zwei reflektierenden Elementen eingeschlossen, deren Heflexionskoeffiziente kleiner als 1 sind. Das kohärente Lichtbündel durchläuft nach dem Durch- -\

setzen des ersten der reflektierenden Elemente die vor gegebene Wegstrecke bis zum zweiten reflektierenden Element und erleidet eine Phasenverzögerung §~ , die gleich der gesuchten optischen Länge des .Lichtwegs auf dieser Strecke ist. Ein Teil des Lichtes mit einer Pha senv-er zögerung 0 durchsetzt das zweite reflektierende Element, während der andere Teil des Lichtes reflektiert wird und wieder die vorgegebene Wegstrecke bis zum ersten reflektierenden Element durchläuft, so daß ^er eine zusätzliche Phasenverzögerung ο erfährt. Am ersten üllement tritt der Lichtteil," der bereits die Fnasenverzögerung 2 0 aufweist, aus, und der restliche idchtteil wird reflektiert, durchläuft wieder die vorgegebene Wegstrecke und kommt zum zweiten reflektierenden Element.mit einer Phasenverzögerung von 3 S'· Und wieder tritt ein Teil des Lichtes aus und ein anderer Teil wird reflektiert, um einen nächsten Durchlauf der vorgegebenen Wegstrecke bis zum ersten reflektierenden Element und in umgekehrter Richtung zu vollziehen, wobei bei jedem Durchlauf dieser Lichtteil eine zusätzliche Phasenverzögerung von 2$ erleidet. Über die Grenzen der zwischen den reflektierenden Elementen liegenden vorgegebenen Wegstrecke geht sowohl auf der Seite des ersten reflektierenden Elementes als auch auf der Seite des zweiten eine Vielzahl interferierender Lichtbündel hinaus. Die Abhängigkeit des interferierten Lichtes von der optischen Länge der vorgegebenen Strecke des Lichtwegs wird durch eine nichtsinusförmige periodische Funktion mit einer Periode AO= 271 ausgedrückt, wobei die Zahl von ganzen Perioden, d.h. die Ordnung der Interferenz D = -int( ■—= ) gleich einer ganzen Zahl von Lichtwellenlängen -£- innerhalb der vorgegebenen Sbrecke ist und der

Intensitätsverlauf innerhalb der Periode, d.h. die Konturform des Interferenz streif ens einen Bruchteil d dieses wertes der optischen W'eglänge wiedergibt; S = 2/T(d + D) (2).

J3ei diesem Verfahren zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs durchlaufen alle interferierenden Bündel ein und denselben optischen Weg, wobei kein zusätzliches Vergleichsbündel erforderlich ist, das einen anderen optischen Weg durchlaufe;» müßte. Dieses Verfahren weist daher zum Unterschied von den die Zweistrahlinterferenz ausnutzenden Verfahren .teine Meßfehler auf, die durch Fehler bei der Bestimmung der optischen Länge des Lichtwegs des Vergleichsbündels und durch deren !Instabilität bedingt sind, Bei diesem Verfahren erweisen der Meßvorgang und die Interpretation von-Ergebnissen als einfacher.

Jedoch wird die InterferenzOrdnung und die Kontur des Interferenzstreifens bei der Kessung der ganzen Zahl D und des Bruchteils "d" eines Werkes der optischen Länge des Lichtwegs entweder durch visuelle Ablesung oder durch Photometrierung des Interferenzbildes oder eines photographischen Bildes desselben - eines Interferogramms - bestimmt. Im erstenü'all sind fehler subjektiven Charakters möglich, im zweiten Fall sind Fehler unvermeidlich, die durch ein Schrottrauschen des Photostroms, Schwankungen der Intensität des interferierten Lichtes bedingt sind, die durch die oben aufgezählten fremden Paktoren hervorgerufen sind. Dies hat eine unausreichende Genauigkeit und Sicherheit bei der Messung der optischen Länge des Lichtwegs zur Folge.

Außerdem ist die Genauigkeit der Bestimmung des Bruchteils gering, weil die Kontur des Interferenz-Streifens eine komplizierte nichtsinusförmige Form hat, Dei der die gemessene Intensität des interferierten Lichtes bei einer kleinen Abweichung des Wertes der optischen Länge des Lichtwegs von der ganzen Zahl sprunghaft geändert wird und in einem großen Abscimitt des Interf er en;:r-treif ens praktisch unveränderlich bleibt. In die^c;^ Abschnitt ist es nicht möglich, die Intensität des interferierten Lichtes und die oütische

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Länge des Lichtwegs zu identifizieren. Dadurch wird die Meßgenauigkeit des Bruchteils des Wertes der optischen Weglänge begrenzt.

Daneben ist das bekannte Verfahren unempfindlich gegen das Vorzeichen der Änderung der optischen Länge des Lichtwegs, was die Möglichkeiten des Verfahrens bei Messung der Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt der interferierenden Bündel und bei Änderung der optischen Länge in der üeit beträchtlieh beschränkt.

Darüber hinaus ist das Auswerten der durch Mehrstrahlinterferenz erhaltenen Interferogramme nicht weniger kompliziert, arbeitsintensiv und langwierig als bei der Zrweistrahlinterferometrie·

15. Dem angemeldeten Interferometer kommt nach seiner physikalischen Hauptidee ein Mehrstrahlinterferometer ' ' vom U'abry-Perot- oder U'izeau-Typ am nächsten, das eine kohärente Lichtquelle, auf deren optischen Achse zwei reflektrierende Elemente einander gegenüber angeordⁿe"fc sind, die zur Erzeugung interferierender Lichtbündel bestimmt sind, und ein Fhotoregistriergerät für das erhaltene Interferenzbild umfaßt (C. Fabry, A. Perot, Ann. Chim. Phys., IjS, 115, 1899).

Jedoch besitzt dieses Laserinterferometer sämtliehe Nachteile, die dem bekannten Verfahren zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs unter Verwendung der Mehrstrahlinterferenz typisch sind. - ·-

Außerdem'wird vom Laser interferometer keine Möglichkeit, den Vorgang der Messung der optischen Länge des Lichtwegs zu automatisieren, im wesentlichen wegen geringer Störsicherheit bei der Messung der Intensität des interferierten Lichtes, wegen der Unbestimmtheit des Änderungsvorzeichens der optischen Länge des Lichtwegs und infolge eines kleinen Verhältnisses des Signals zum Schrottrauschen bei Untersuchung der Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs in einem großen Quer schnitt sf e Id der interferierenden Bündel unter hoher räumlicher Auflösung geboten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der optischen Länge einer vorgegebenen Strecke des Lichtwegs, einer Verteilung dieser Länge im Querschnitt des Lichtbündels und einer Änderung derselben in der Zeit zu entwickeln, welches unter Ausnutzung der Mehrstrahlinterferenz die Umsetzung von Informationen über die gesuchte optische Länge des Lichtwegs unmittelbar in einen Ziffernkode und deren mitlaufende Verarbeitung mit einer hohen Genauigkeit ermöglicht, sowie ein ■ Laserinterferometer zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, das eine hohe Meßgenauigkeit der optischen Länge des Lichtwegs unter Berücksichtigung ihrer Vorzeichen- . ■ . . änderung gewährleistet und die Möglichkeit bietet, den Vorgang automatisch zu steuern, der die Änderungen der optischen Länge des Lichtwegs bestimmt·

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß man beieinem Verfahren zur Messung der optischen Länge einer Strekke des Lichtwegs, welches darin besteht, daß man ein kohärentes Lichtbündel erzeugt, aus diesem eine Reihe interferierender Bündel formiert, wobei jedes nachfolgende interferierende Bündel so gebildet wird, daß ein Teil des vorhergehenden interferierenden Bündels abgesondert und der abgesonderte Lichtteil durch dieselbe Wegstrecke durchgelassen wird, die interferierenden Bündel miteinander vereinigt und ein erhaltenes Interferenzbild registriert, gemäß der Erfindung das kohärente Lichtbündel mit zwei kollinearen Komponenten, die verschiedene unabhängige Polarisationen aufweisen, erzeugt, die Lichtfrequenz der einen dieser Komponenten bezüglich der Lichtfrequenz der anderen Komponente verschiebt und bei der Bildung jedes nachfolgenden interferierenden Lichtbündels aus dem vorhergehenden Lichtbündel in jedem Paar der Licht komponenten die Polarisation der einen Komponente des Lichtes in die Polarisation der zweiten Komponente, die Polarisation der zweiten Komponente aber in die Polarisation der a

ersten Komponente umwandelt, bei der Vereinigung der interferierenden Bündel deren Licht in zwei Bündel mit den genannten unabhängigen Polarisationen aufteilt und bei der Registrierung des Interferenzbildes eine photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes jeder der zwei unabhängigen Polarisationen einzeln durchführt, worauf man die Phasen der gewonnenen elektrischen Signale mißt, nach welchen die optische Länge des Lichtv/egs auf der angegebenen Strecke be-

stimmt wird- ' ..

Dadurch wird ermöglicht, unter Ausnutzung der Mehrstrahlinterferenz die Umsetzung von Informationen über die gesuchte optische Länge des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke unmittelbar in einen Ziffernkode mit einer hohen Genauigkeit und deren mitlaufende Verarbeitung durchzuführen.

Es ist zweckmäßig, daß man nach der erwähnten gegenseitigen Umwandlung der Polarisation eines Paars der Lichtkomponenten das Licht mit einer der genannten Polarisationen unterdrückt, während man der photoelektrischen Umwandlung das interferierte Licht mit der anderen der genannten Polarisationen unterwirft.

Dies ermöglicht eine Verbesserung der Linearität der Umwandlung der gesuchten optischen Länge des Lichtv/egs in einen Ziffernkode, was die Meßgenauigkeit zusätzlich begünstigt.

Es können zeitliche Änderungen der gemessenen Phasen der Wechselstromanteile der gewonnenen elektri—" sehen Signale registriert werden, nach welchen man Änderungen der optischen Länge des Lichtwegs in der Zeit ermittelt.

Dies bietet die Möglichkeit, Änderungen der optischen Länge in der Zeit zu messen und damit den zeitlichen Verlauf der Vorgänge zu untersuchen, die durch die Änderungen der optischen Länge gekennzeichnet· sind.

Vorteilhaft ist_s daß man die photoelektrische Um-

Wandlung in mindestens zwei Punkten des Interferenzbildes vornimmt und aus . den Meßergebnissen der Phase der in diesen Punkten erhaltenen elektrischen Signale die Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt der interferierenden Bündel bestimmt.

Dadurch wird es möglich, die Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt der interferierenden Lichtbündel zu messen und damit die Verteilung physikalischer Größen zu untersuchen, die durch die optische Länge des Lichtv/egs gekennzeichnet werden.

Es ist zweckmäßig, Differenzen zwischen den Phasen der bei der photoelektrischen Umwandlung des interferierten Lichtes in verschiedenen Punkten des Interferenzbildes gewonnenen elektrischen Signale zu messen, nach welchen man Gradienten der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt der interferierenden Bündel ermittelt.

Dies ermöglicht die Erkennung von Inhomogenitäten physikalischer Größen im Feld des Untersuchungsobjektes.

Es ist möglich, den Phasenwert mindestens eines elektrischen Signals vorzugeben, welchem mindestens ein bekannter Wert der optischen Länge des Lichtwegs entspricht, die optische Länge der angegebenen Strecke des Lichtwegs zu ändern und, wenn die zu messende Pha- ■ se eines in mindestens einem Punkt des Interferenzbildes erhaltenen Signals einen der vorgegebenen Phasenwerte erreicht hat, den Wert der erwähnten Inderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke zu registrieren und danach die gesuchte optische Länge der vorgegebenen Strecke im betreffenden Punkt des Querschnitts der interferierenden Bündel zu ermitteln, indem man den registrierten Wert der Änderung der optisehen Länge vom bekannten Wert der optischen Länge des Lichtwegs subtrahiert»

Dies gestattet es, die Empfindlichkeit und Ge- ^ nauigkeit der Messung der optischen Länge des Licht- /φ

wegs zu erhöhen, die Möglichkeit der Konstanthaltung und der automatischen Regelung der optischen Länge der Vorgegebenen Strecke sowie physikalischer Größen und Vorgänge zu gewährleisten, welche durch die optisehe Länge des Lichtwegs gekennzeichnet werden.

3s ist zweckmäßig, daß man ein kohärentes Lichtbündel mit bekannter Wellenlänge erzeugt und die Phasen der betreffenden elektrischen Signale mißt, dann die Wellenlänge des kohärenten Lichtes ebenfalls um einen bekannten Betrag wenigstens einmal .ändert und die Phasen der betreffenden elektrischen Signale wieder mißt, worauf aus dem Verhältnis zwischen den bei verschiedenen bekannten Lichtwellenlängen gemessenen Phasenwerten über die optische Länge des Lichtwegs bestimmt wird.

Dies ermöglicht aufgrund einer Reihe auseinanderfolgender Messungen die Bestimmung der ganzen Zahl und des Bruchteils der· optischen Länge der vorgegebenen Strecke des Lichtwegs.

Bei der. Bildung des kohärenten Lichtbündels kann man Licht mit mindestens zwei bekannten Wellenlängen erzeugen, eine photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes.mit jeder bekannten Wellenlänge einzeln durchführen und die Phasen der betreffenden elektrischen Signale messen, worauf aus dem Verhältnis zwischen den bei verschiedenen bekannten Lichtwellenlängen gemessenen Phasenwerten über die optische Länge des Lichtwegs bestimmt wird.

Dadurch wird ermöglicht, zu den betreffenden Zeitpunkten die ganze Zahl und den Bruchteil der sich ändernden optischen Lange des Lichtwegs zu. bestimmen·

Das erfindungsgemäße Läserinterferbmeter hat ausgehend ■ von einen Laser, mindestens zwei in Richtung des Lichtstrahls hintereinander angeordnetenreflektierendenElementen,die zur Vorgabe einer Strecke des Lichtwegs, Formierung und Vereinigung der interferierenden Lichtbündel dienen, und einem

Photoregistriergerät für das zu erhaltende Interferenzbild, gemäß der Erfindung eine Vorrichtung zur Aussonderung zweier kollinearer Lichtkomponenten mit unabhängigen Polarisationen und eine Vorrichtung zur Ver-Schiebung der Lichtfrequenz der einen Komponente gegen die andere, wobei die' Vorrichtungen zwischen dem Laser und den reflektierenden Elementen angebracht sind, einen an die Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz angeschlossenen Steuergenerator, eine doppelbrechende, zwischen den reflektierenden Elementen angeordnete Platte und ein Polarisationselement,· das auf der optischen Achse des interferierten Lichtes vor dem Fhotoregistriergerät angebracht ist, das aus einem photoelektrischen Wandler des interferierten Lichtes und einer an diesen Wandler angeschlossene Einheit zur Phasenmessung elektrischer Signale besteht.· · . . "

Ein solches Interferometer gestattet bei einer maximal einfachen Bauart der Interferenzanordnung, die optische Länge des Lichtwegs auf einer Strecke mit hoher Genauigkeit zu messen, welche durch die reflektie- - renden Elemente festgelegt ist·

Es ist zweckmäßig, daß die genannte Vorrichtung zur Aussonderung der Lichtkomponenten solche mit zirkulären, entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors eines elektromagnetischen Feldes aufweisenden Polarisationen aussondert;·

Dadurch wird ermöglicht;, die zu messende optische Länge des Lichtwegs in einen Ziffernkode am einfachsten umzusetzen.

. Es ist zweckdienlich, daß das Las er interferometer eine im Weg des interferierten Lichtes vor dem Polarisationselement angeordnete Λ/4-Platte enthält und daß die genannte Vorrichtung zur Aussonderung von Lichtkomponenten solche mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen aussondert·

Dadurch werden technologische Möglichkeiten bei der Schaffung des Interferometers erweitert.

Ss ist von Vorteil, daß das Laserinterferometer ein zwischen der Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz und den reflektierenden Elementen angeordnetes liehfre eilendes Element zur Abtrennung der von den reflektierenden Elementen zurückgeworfenen interferierenuen Lichtbündel enthält, hinter dem - in Richtung des reflektierten interferierten Lichtes gesehen das genannte Polarisationselement und das genannte Photoregistriergerät angeordnet sind·

' 10 ""Dadurch v/ird der Aufbau des Interferometers verbessert und dessen Anwendungsgebiet erweitert, z.B. zur Untersuchung undurchsichtiger Objekte.

Die genannte Vorrichtung zur Aussonderung von Lichtkomponenten kann Lichtkomponenten mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen aussondern·

Dies bietet die Möglichkeit, die zu messende optische Lange des Lichtwegs in einen Ziffernkode bei Un-"Gersuchung undurchsichtiger Objekte am einfachsten umzusetzen.

Vorteilhaft ist, daß das Laserint er f er omet er eine im Weg des interferierten Lichtes vor dem Polarisationselement angeordnete Λ/4-Platte enthält und daß die genannte Vorrichtung zur Aussonderung von Lichtkomponenten solche mit zirkulären, entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors eines elektrischen Feldes aufweisenden Polarisation aussondern.

Dadurch wird ermöglicht, daß Anwendungsgebiet des Laserinterferometers, z.B. zur Untersuchung von Objekten zu erweitern, welche eine optische Anisotropie besitzen»

Als Laser, Vorrichtung zur Aussonderung von Lichtkompοnennen mit zirkulären Polarisationen und Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz der einen der ausgesonderten Lichtkomponenten kann ein Zweifrequenzlaser verwendet werden, das auf dem Seeman-Effekt berulrc.

Dies gestatöet eine Vereinfachung der Bauteile, die sur Erzeugung des Ausgangsbündels kohärenten Lieh-

tea bestimmt sind, sowie der Bauart des Interferometers im ganzen.

Die Vorrichtung zur Aussonderung von Lichtkomponenten mit linearen Polarisationen kann als Zweistrahl-Polarisationsinterfero.meter ausgebildet werden, in des-.sen einem Zweig die Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz angeordnet ist.

Das trägt zur Vereinheitlichung der Bauteile des Interferometers, bei. .
10

Die Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz kann ein elektr ο optischer Frequenzmodulator sein.

Dadurch wird auch die Vereinheitlichung der Bautei le le des Interferometers begünstigt.

Das Laserinterferometer kann einen zwischen den reflektierenden Elementen hinter der doppelbrechenden Platte angebrachten Polarisator aufweisen.

Das ermöglicht eine Verbesserung der Linearität der Umsetzung der gesuchten optischen Länge des Lichtwegs in einen Ziffernkode.

Das genannte Polarisationselement kann ein Polarisator sein.

2.5 Dadurch ist die· Möglichkeit gegeben, das Licht der interferierenden Bündel je nach Polarisation zu teilen.

Das Polarisationselement kann ein Polarisationslichtteiler zur Aufteilung des Lichtbündels in zwei Bündel mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen sein, . während das Photoregistriergerät in ]?o5?m von zwei photoelektrischen, an die Phasenmeßeinheit angeschlossenen Wandlern ausgeführt ist, von denen der erste Wandler auf der optischen Achse eines der zwei aufgeteilten Bündel und der zweite auf der optischen Achse des anderen aufgeteilten Bündels angeordnet ist.

Dadurch wird die Effektivität der Lichtausnutzung verbessert und die Empfindlichkeit des Interferometers um das Doppelte erhöht, was die Wirtschaftlichkeit des Interferometers begünstigt und zur Erhöhung der Meßgenauigkeit beiträgt.

Die reflektierenden Elemente, deren Anzahl gleich wenigstens drei ist, sind zweckmäßigerweise in Ecken einer geschlossenen gebrochenen Linie angebracht, die eine vorgegebene Strecke des Lichtwegs darstellt.

Dadurch werden die Möglichkeiten des Interferometers bei der Messung der optischen Länge des Lichtes auf einem nichtgeradlinigen -Weg erweitert.

Die doppelbrechende Platte kann eine Λ/2-Platte darstellen.

Dadurch wird es möglich, die Polarisationen der Lichtkomponenten einfach umzuwandeln.

Die reflektierenden Elemente können als teilweise reflektierende Spiegelflächen ausgebildet werden.

Dies trägt zur Vereinfachung der Fertigung der erfindungsgemäßen Interferometer bei."

Mindestens eines der reflektierenden Elemente kann ein Beugungsgitter sein, das so angeordnet ist, daß die Achse des Lichtbündels einer der Beugungsordnungen des erwähnten Gitters mit der Achse zusammenfällt, die die benachbarten reflektierenden Elemente verbindet.

Das trägt zur Erweiterung der technologischen !Möglichkeiten des Interferometers bei.

Es ist zweckmäßig, die doppelbrechende Platte in der Nähe des Beugungsgitters anzubringen und eine Diff erenz zwischen den -Phasenverschiebungen der Lichtwellen in zwei nutbaren Beugungsordnungen sicherzustellen, welche gleich /1/4 ist.

Dies gestattet eine einfachere Umwandlung der Polarisationen der Lichtkomponenten in dem Fall, wenn als reflektierende Elemente Beugungsgitter verwendet werden.

Das Beugungsgitter kann als Hologramm ausgeführt werden·

Dies bietet die Möglichkeit, die Technologiegerechtheit des Interferometers

.zu verbessern und ^die Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs zu kompensieren.

Das Laserinterferometer kann ein optisches System zur Verbreitung des Lichtbündels enthalten, welches vor den reflektierenden Elementen angeordnet ist. Dadurch wird die gewünschte Größe eines Querschnitts der interferierenden Lichtbündel bei der Messung der Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs in diesem Querschnitt erreicht.

Es erweist sich als möglich, den photoelektrischen ^c Wandler mit einer Einrichtung zur Abtastung des Inter— ferenzbildes zu versehen.

Dadurch kann die Verteilung der gesuchten optischen Länge des Lichtwegs durch aufeinanderfolgende Verschiebung des photοelektrischen Wandlers in die vorgegebenen Punkte des Querschnitts gemessen werden.

Das Laserinterferometer kann ein vor dem photoelektrischen Registriergerät angebrachtes optisches Element, durch das ein leil des Lichtes der interferierenden Bündel isoliert wird, und ein auf der optischen Achse des Bündels des isolierten Lichtteils angeordnetes zusätzliches Photoregistriergerät enthalten.

Dadurch wird ermöglicht, Schwankungen und Ungleichmäßigkeiten der Phase der Lichtwelle des Ausgangsbündels zu registrieren und für das gesamte Interferenzbild gemeinsame Änderungen der Verteilung der gesuchten optischen Länge der Lichtwegstrecke zu berücksicht igen.

Der pliotoelektrische Wandler kann ein einzelner Photodetektor sein.

Dadurch wird eine einfachere photoelektrische Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches durchgeführt.

Der photoelektrische Wandler kann in ?orm einer Matrix ausgebildet sein, die aus mehreren Photodetektoren besteht, die über einen Umschalter an die Phasenmesseinheit angeschlossen sind.
Dadurch wird eine gleichzeitige Umwandlung des optischen Signals in ein elektrisches Signal in mehreren Punkten des Querschnittes der interferierenden Bündel sichergestellt.

Der photoelektrische Wandler kann in Form einer Matrix ausgebildet sein, die aus mehreren Photodetektoren bestehen, · von de_nen jeder an eine eigene Phasenmesseinheit angeschlossen ist.

Dadurch wird eine gleichzeitige Messung der optischen Länge des Lichtwegs in mehreren Punkten des Querschnitts der interferierenden Bündel erreicht.

Mindestens einer der Photodetektoren des zusatzliehen Photoregistriergeräts kann auch an wenigstens eine Phasenmesseinheit des Haupt-Photoregistriergeräts angeschlossen sein.

Dadurch wird der Abgleich von Schwankungen der Phase der Lichtwelle des AusgangsbundeIs in den vorgegebenen Punkten des Querschnitts der interferierenden Bündel ermöglicht.

Das Laserinterferometer kann eine Vorrichtung zur Parallelverschiebung des Lichtbündels gegen sich selbst in zwei zueinander senkrechten Richtungen enthalten, die vor den reflektierenden Elementen angeordnet ist.

Dadurch wird ermöglicht, die Effektivität der Lichtauonutzung, das Verhältnis des zu erhaltenden elektrischen _%Signals zum Hintergrundrauschen zu erhöhen und für gleich genaue Messungen über den ganzen Querschnitt der interferierenden Bündel zu sorgen.

Die Vorrichtung zur Parallelverschiebung des Lichtbündeis kann mit der Einrichtung zur Abtastung

des Interferenzbildes verbunden sein. *-

Dies ermöglicht eine Erhöhung der 3etriebszuverläosi/koit des Interferometers mit Abtastung.

.;*;;;:·U.:λ*OO 330δ709

Die Vorrichtung zur Parallelverschiebung des Lichtbündels kann mit dem Umschalter in Verbindung stehen. Dadurch wird die Betriebszuverlässigkeit des Interferometers mit einer Matrix von Photοdetektoren erhöht.

Das Laserinterferometer kann mindestens eine zwischen den reflektierenden Elementen angeordnete Vorrichtung zur Änderung der optischen Länge der Strecke des Lichtwegs, die mit einem fiießgeber für die optische Länge der Lichtwegstrecke versehen ist, eine Einheit zur Vorgabe der den bekannten Werten der optischen Länge des Lichtwegs entsprechenden Phasenwerte, eine Pha— senvergieichseinheit, deren Eingänge jeweils an die Einheit zur Vorgabe von Phasenwerten und an mindestens eine eigene Phasenmeßeinheit und deren Ausgang an mindestens eine genannte Vorrichtung zur Änderung der optischen Länge der Strecke des Lichtwegs angeschlossen sind, sowie eine Recheneinrichtung, die mit dem Meßgeber für die optische Länge der Lichtwegstrecke und mit öler Einheit zur Vorgabe von Phasenwerten verbunden ist, aufweisen.

Dadurch werden die funktioneilen Möglichkeiten und das Anwendungsgebiet des Laserinterferometers, insbesondere in Systemen zur automatischen Regelung der Vorgäbe erweitert, die auf die optische Länge des Lichtwegs einwirken.

Das Laserinterfer.ometer kann einen vor dem zusätzlichen Photoregistriergerät angeordneten Lichtintensität smodulator und einen mit diesem verbundenen Generator

^O für elektrische ' Impulse enthalten, wobei das zusätzliche Interferenzbild-Photoregistriergerät als Bildregistrierer ausgeführt ist.

Dadurch werden die funktionellen Möglichkeiten des Laserinterferometers erweitert:, so daß es universaler wird. Insbesondere kann man dadurch das Interferenzbild unter gleichzeitiger Messung der optischen Länge des Lichtwegs beobachten und registrieren.

Es ist zweckmäßig, daß der Generator für die elektrischen Impulse mit dem Steuergenerator verbunden und mit diesem in der Impulsfolgefrequenz synchronisiert ist.

Dadurch wird die Einstellung und Ausnutzung des Laserinterferometers dank möglicher visueller Beobachtung des Interferenzbildes erleichtert.

Die kohärente Lichtquelle kann eine durchstimmbare Wellenlänge besitzen.

Dies gestattet, die ganze Zahl und den Bruchteil der optischen Länge des Lichtwegs zu bestimmen.

Das Laserinterferometer kann eine optische Einheit zur Teilung des Bündels des interferierten Lichtes in Teilbündel je nach der Wellenlänge enthalten, die hinter dem Polarisationselement angeordnet ist, und auf der optischen Achse jedes der erwähnten Teilbündel kann ein eigenes Interferenzbild-Photoregistriergerät angeordnet sein, wobei die kohärente Lichtquelle Licht mit zwei bekannten Wellenlängen emittiert.

Dies ermöglicht die Bestimmung der ganzen Zahl und des Bruchteils der optischen Länge des Lichtwegs bei Untersuchungen von zeitlich verlaufenden Vorgängen.

Anhand von Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die Konfiguration eines elektrischen Feldes zweier ausgesonderter Lichtkomponenten I und II des Ausgangsbündels mit Polarisation J^, . ß und Frequenzen Wund Cd +iL; -

Fig. 2, A schematisch eine Lauffolge von Strahlen bei der Bildung interferierender Lichtbündel auf einer vorgegebenen Wegstrecke und die Umwandlungen der Lichtpolarisationen zur Messung der optischen Länge des Lichtweges;

Fig. 2, B, wie Fig. 2, A, den Fall, daß das Licht einer der unabhängigen Polarisationen bei der Erzeugung der interferierenden Bündel unterdrückt wird;

Fig. 3 die Abhängigkeit des Gleichstromanteil-s A(J )/ der Amplitude des Wechselstromanteils B(J ) und der Phasenverzerrungen tf (o ) eines bei der Messung gebildeten elektrischen Signals von der optischen Weglänge ß,

Fig. 4 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform eines Laserinterferometers unter Ausnutzung der Interferenz geradlinig verlaufender Lichtstrahlen;

Fig. 5 eine Ausführungsform des Registrierteils des Interferometers bei Verwendung zirkularer Polarisationen der ausgesonderten Lichtkomponenten im Ausgangsbündel;

Fig. 6 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers unter Ausnutzung der Interferenz reflektierter Lichtstrahlen;

Fig. 7 eine Ausführung des Registrierteils des Interferometers bei Verwendung eines Polarisationslichtteilers als Polarisationselement;

Fig. 8 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers mit erhöhter Empfindlichkeit und möglicher automatischer Einstellung der optischen Länge des Lichtwegs;

Fig. 9 eine Ausführung der Vorrichtung zur Änderung der optischen Länge der Wegstrecke in Form einer hermetisch abgeschlossenen Zelle mit einem unter bekanntem Druck stehenden Gas;

Fig. 10 eine Ausführung der Vorrichtung zur Änderung der optischen Länge der Wegstrecke in Form eines aus bekanntem Werkstoff bestehenden Elementes . mit bekannter Temperatur;

Fig. 11 eine Ausführung der Einheiten zur Vorgabe und zum Vergleich von Phasenwerten in Form eines Computers;

Fig. 12 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Interferometers unter Benutzung des interferierten Lichtes und Unterdrückung des Lichtes einer der unabhängigen Polarisationen;

Fig. 13, A eine Ausführung der reflektierenden Elemente in Form von Beugungsgittern und die Einführung des Ausgangslichtbündels unter einem Beugungswinkel zu einem dieser Gitter;

Fig. 13, B den Fall, bei dem das Photoregistrier- IQ gerät auf der Achse eines der gebeugten Bündel angeordnet ist;

Fig. 14 eine Ausführungsform eines Laserinterferometers, bei dem die vorgegebene Wegstrecke eine geschlossene gebrochene Linie darstellt, die durch drei reflektierende Elemente gebildet ist, die in Ecken dieser Linie angebracht sind;

Fig. 15 eine Ausführungsform, bei der zwei der reflektierenden Elemente Beugungsgitter sind;

Fig. 16 eine Ausführungsform des Laserinterferometers zur Messung der Verteilung der optischen Länge des Lichtwegs im Querschnitt der interferierenden Bündel, welches ein optisches System zur Verbreitung des Ausgangsbündels aufweist;

Fig. 1.7 eine Ausführung des Registrierteils des Laserinterferometers mit einem zusätzlichen Photoregistriergerät zur Vermeidung von Phasenverzerrungen im Ausgangsbündel;

Fig. 18 ein Schema für den Anschluß einer Photodetektormatrix an eine Phasenmeßeinheit über einen Umschalter;

Fig. 19 ein Schema für den Anschluß der Photodetektormatrix an einen Satz eigener Phasenmeßeinheiten;

Fig. 20 eine Ausführungsform eines Laserinterferometers zur Messung der Verteilung der optischen Weglänge;

•Fig. 21 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers mit Abtastung des Interferenzbildes durch ein enges Lichtbündel und mit einem photoelektrischen Wandler;

Fig. 22 die Verwendung einer Linse zum Richten eines engen Lichtbündels auf einen feststehenden photoelektrischen Wandler;

Fig. 23 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Laserinterferometers mit Abtastung des Interferenzbildes durch ein enges Lichtbündel unter Verwendung einer Photodetektormatrix und eines Umschalters; Fig. 24 ein Schema der Benutzung eines zusätzlichen photoelektrischen Registriergeräts zur Gewinnung eines Interferenzbildes im statischen Zustand; und

Fig. 25 eine Ausführungsform der Optik des Registrierteils zur Aufteilung des Bündels interferierten Lichtes in Teilbündel je nach Wellenlänge.

Bei dem Verfahren zur Messung der optischen Länge des Lichtwegs auf einer vorgegebenen Strecke kommt die Mehrstrahleninterferenz bei der Mischung vieler - zahlenmäßig mehr als zwei - kollinearer Bündel kohärenten Lichtes zustande..Solche interferierende Bündel werden aus einem kohärenten Ausgangslichtbündel so erzeugt, daß jedes nachfolgende interferierende Bündel aus dem vorhergehenden durch Absonderung eines Teils des Lichtes mit einer relativen Lichtamplitude ^J und Durchlassen des abgesonderten Teils durch dieselbe Wegstrecke gebildet wird. Eg wird eine Reihe von Lichtbündeln mit einer Amplitude gebildet, die mit einer geometrischen Progression abnimmt

- : ■ · } .''·:":Ο 3 3 O b V U

- 36 -

Es wird nun ein Ausgangsbündel S'aus „kohärentem Licht mit zwei kollinearen Komponenten I und II erzeugt, die unabhängige Polarisationen oC und ß und unterschied liche Frequenzen cö bzw. CO + ζΐ· , die voneinander um einen Betrag Q verschieden sind, der dem Rundfunkfrequenzbereich angehört. Es wird nun auf einen Pail eingegangen, bei dem die Ausgangspolarisationen der I/icht komjjonenten linear und zueinander senkrecht sind. Beschreiben wir das elektrische Feld des Ausgangslichtbündeis in Vektor form mit Hilfe der Funktion £ ei-

15 nes optischen Signals: ^

t_s = C _e-iS2t ),

wobei das obere Element die Komponente mit Polarisation οό und das untere Element die Komponente mit Polarisation ß wiedergibt. Angenommen, daß das erste interferierende Bündel mit einer relativen Amplitude r und unveränderlichen Polarisationen abgesondert wird, und nehmen wir seine Phase als Bezugspunkt für die Phasenverzögerung einer lichtwelle an. Jedes nachfolgende Bündel hat eine Amplitude, die von der des vorhergehenden Bündels um das r-fache verschieden ist, eine zusätzliche Phasenverzögerung, die gleich O ist, und ei¹ fährt eine Umwandlung der Polarisation.

Das optische Signal £_k des Lichtes eines ii-ten Bündels wird durch einen Vektor beschrieben:

³⁰ x^

Die optische Signale aller interferierenden Bün del addieren sich zu;

in Komponenten Sd, und g.β nach den Polarisationen o£ und ß aufgeteilt:

Da bei jedem Durchlauf der vorgegebenen V/egstrekke die Polarisationen der Komponenten gegenseitig ineinander umgewandelt werden, addieren sich in jeder der 'Komponenten S&C ^un<ä &ß wechselweise die Lichtwellen der Komponenten I mit der Frequenz CO und die der Komponenten II mit der frequenz O) + Q . Im Ergebnis der Interferenz entstehen in jeder der Komponenten Schwebungen der Intensität des interferierten Lichtes mit der Frequenz il und einer Phase, die von der optischen Länge O der vorgegebenen Strecke abhängt.

Betrachten wir ausführlicher eine solche Mehrstrahlinterferenz am Beispiel des Fabry-Perot-lnterferometers (Fig. 2,A). Die Strecke des Lichtwegs ist durch zwei teilweise reflektierende Spiegelflächen der reflektierenden Elemente 1 und 2 festgelegt, die in einem Abstand 1 einander gegenüber und senkrecht zur Koordinatenachse OZ angebracht sind. Den innerhalb der Strecke mittlere Brechungsindex bezeichnet man mit n. Gemäß (1) ist die optische Länge α des Lichtwegs gleich .

Zur Messung von 0 auf der vorgegebenen Strecke 1 formiert man erf indungsgemäß ein Ausgang sucht bündel S", wozu zuerst ein Bündel S kohärenten Lichtes mit einer //ellenlange X erzeugt wird, in dem zwei kollineare Komponenten I und II ausgesondert v/erden, welche eine Lichtfrequenz cd - - und unterschiedliche unabhängige Polarisationen (orthogonale lineare Polarisationen oC und JS oder zirkuläre cC° und ß° mit entgegengesetzten Drehrichtungen des "Vektors des elektrischen Feldes) aufweisen, und die Lichtfrequenz einer der aus-

-O gesonderten Lichtkomponenten, z.B. der Komponente II, gegenüber der Lichtfrequenz cd der anderen Komponente Komponente I - um einen Betrag V verschoben wird.

Das so gebildete Ausgangslichtbündel S', welches durch den Vektor £. beschrieben ist, wird längs der Achse OZ auf die reflektierenden Flächen der reflektierenden Elemente 1 und 2 gerichtet, die Amolitudenre- Λ

- 38 -

flexionskoeffiziente r,,, n_o und Amplitudendurchlässigkeitskoeffiziente Tx₁ bzw. 'L₉ -aufweisen (¹Cf + rf =1; t| + r| = 1).

3ei mehrfacher Reflexion des Lichtes an den reflektierenden Elementen 1 und 2 werden in „den Richtungen des durchgelassenen und des reflektierenden Lichtes zwei Reihe interferierender Bündel formiert. Im Querschnitt, in welchem sich die doppe!brechende Platte 3 befindet, kommt bei jedem Durchlauf die Umwandlung der linearen Polarisationen in zirkuläre und die der zirkulären in lineare zustande.

In Richtung des reflektierten Lichtes wird eine Reihe interferierender Bündel mit linearen Polarisationen oU und ß.¹ gebildet, deren Parameter in folgender Tabelle 1 aufgeführt sind:

Tabelle 1

ßündel-

20 nummer

Relative Amplitude

Phasenfaktor

Lichtfrequenz der Komponente mit einer Polarisation

1 2

3 4

*Λ

L *

,-12

-i6

1 -ißt

30 ,

₁r₂Cr^r₂

(j-ungeradzahi;

radzahl)

geradzahl)

radzahl)

In Richtung des durch die !''lachen der reflektierenden Elemente 1 und 2 hindurchgegangenen Lichtes wird eine Reihe von Bündeln mit zirkulären Polarisationen al ° und ß° erzeugt, welche in Tabelle 2 zusammengefaßt sind. *

Tabelle 2

Bün-	Relative	Pnasen
del-	Amplitude	faktor
num-
mer

Paktor, der die Lichtfrequenz mit einer Polarisation ausdrückt

3 4

•-Γ2·

C <T ( r-

rf rf Cr r )3

•ic?

1 -ißt

(j-un- e
geradzahl)

(j-ge- 1

rad- ·
zahl)

z alii)

(d-ge

rad-

zahl)

Beiderseits der vorgegebenen Strecke werden die interferierenden Bündel gemischt. Das Licht der gemischten Bündel wird nach den unabhängigen Polarisationen zer legt. Das Licht der gemischten reflektierten Bündel v/ird

C ' C '

in Bündel O₀^ und Ca mit linearen orthogonalen Polarisationen und das Licht der durchgelassenen Bündel in Bünde 1"S₀^, und £1 mit entgegengesetzten zirkulären Polarisationen aufgeteilt. In jedem der neugebildeten Bündel geschieht die kehrstrahlinterferenz des Lichtes einer Reihe von Bündeln, von denen jedes nachfolgende sich vom vorhergehenden durch die Phasenverzögerung der Licir&welle unterscheidet, welche gleich der verdoppelten

optischen Länge 2 B ist, und durch die Frequenz;, die wechselweise die V/er-te cd und cO +Sl annimmt. Die Intensität ö = S'S* des interferierten Lichtes hängt von der Zeit t und der optischen Länge O des Lichtwegs auf der vorgegebanen Strecke ab.

Im durchgelassenen Licht sind die Intensitäten $U ("k' &) ^unci ^y⁰CtJ₅ u) der geweiligen Lichtkomponenten v/ie folgt definiertί
3* Ct,Λ = Α(ί) + Β(Λ Cos

α^ (t,S) = Δ(Λ + B(^) Oosfßt - 2^- ψ (ί)] ; (3)

Im reflektierten Licht werden die Intensitäten 3^Ct, ο ) und J^(t,ö ) der jeweiligen Licht komponenten wie folgt ausgedrückt:

3cLCfc»£) = 1 - A(£) - B(^) Gos[52t + 2£+<KS)] i^(t,ff) = 1 - A(^) - B(^) Cos[^t - 2£-<£(£)] (3») Die Werte A(d), B(<5) und φ (<y) sind periodische Funktionen der optischen Länge ΰ des Lichtwegs, welche von den Eeflexionskoeffizienten r^ und r₂ der Flächen der reflektierenden Elemente 1 und 2 abhängen. In Fig. 3 sind Diagramme gezeigt, die die Abhängigkeit der Werte A(ö), 3($) und φ (($") von ö bei verschiedenen r^ und r„ veranschaulichen.

Die Intensitäten O^ , J°, U^-^ und CM des interferierten Lichtes in jedem der Bündel werden in elektri- sehe Signale umgewandelt. Der Gleichstromanteil des elektrischen Signals ist proportional zu A( £? ), die Amplitude des Wechselstromanteils proportional zu BiS), während sich die Phase des Wechselstromanteils ermittelt zu;

Aus den Beziehungen (3) und (3^f) sowie aus den Diagrammen in Fig. 3 folgt, daß bei geringen Reflexions koeffizienten r^ und r_o 'der Gleichstromanteil und die Amplitude des wechselstroiaanteils des elektrischen Sig- - nals bei .änderungen von fr geringe Änderungen erfahren. Im reflektierten Licht ist der Gleichstromanteil nahe

der Amplitude des Signals, d.h. die Tiefe der Modulation des elektrischen Signals ist nahe zu eins. Im durchgelassenen Licht überschreitet der Gleichstromanteil die Signalamplitude erheblich, deswegen ist die Hodulationstiefe des Signals gering. FhasenverZerrungen φ(.β) sind in diesem Fall gering und die Gleichung (4) nähert sich einer linearen.

3ei zunehmenden Werten der Koeffizienten r,, und r₂ werden Änderungen des Gleichstromanteils, der Amplitu-

-70· de und der Verzerrung φ($) der Phase sprunghaft vergrößert. Die Modulationstiefe des bei photoelektrischer Umwandlung des reflektierten interferierten Lichtes erhaltenen Signals nimmt ab und des bei photoelektrischer Umwandlung des durchgelassenen interferierten Lichtes erhaltenen Signals zu. Dabei wird die Nichtlinearität der Gleichung (4) stärker.

Zur Bestimmung der optischen Länge ü des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke mißt man erfindungsgemäß die Phase ψ der erhaltenen elektrischen Signale ^un<l findet den gesuchten Wert ö durch Auflösen der Gleichung S = S ( ψ ) (4 ) .

Man muß beachten, daß bei im Ausgangsbündel ausgesonderten Zirkularen Polarisationen c£° und ß° mit entgegengesetzten Drehrichtungen des Vektors des elektrisehen Feldes die interferierenden Bündel in reflektiertem Licht zirkuläre Polarisationen <=C° und ß°, in durchgelassenem Licht aber lineare Polarisationen oC und ß aufweisen, deswegen ist das Licht der gemischten reflektierten Bündel in Komponenten ζ°, und t°p, νήΛ zirkularen Polarisationen und das Licht der gemischten durchgelassenen Bündel in Komponenten S₀^ und £/s mit linearen Polarisationen aufzuteilen. Die Form der zu erhaltenden elektrischen Signale und die Eeihenfolge der Schritte des angemeldeten Verf ahrens v/erden dadurch nicht geändert.

Eine andere mögliche Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, daß man einen Phasenwert ψ = 2 &*

vorgibt, dem ein bekannter Wert der optischen Länge 0% des Lichtwegs entspricht.

Man ändert die optische Länge 0 der Strecke, z.3. durch Verschiebung einer der reflektierenden Flächen oder durch Änderung des Brechungsindexes im bekannten Abschnitt der vorgegebenen Strecke.

Gleichzeitig mißt man die Phase ψ des elektrischen Signals und vergleicht den gemessenen Wert mit dem vorgegebenen Phasenwert If^. , Im Augenblick, da die zu messenden Werte ψ mit

(^ zusammenfallen, wird der entsprechende Betrag A $ einer Änderung der optischen Länge des Lichtwegs registriert. :

Die gesuchte optische Länge Q wird durch Subtrahieren des registrierten Wert Λ 0 der Änderung der optischen Länge der Strecke vom bekannten Wert o%- der optischen Länge des Lichtwegs ermittelt zu

C₅)

Diese Variante des vorgeschlagenen Verfahrens kann zur automatischen Nachstimmung der vorgegebenen optischen Länge 0 der Strecke des Lichtwegs herangezogen werden. Als Äbweichungssignal kann eine Größe u dienen, die proportional der Differenz der zu vergleichenden Phasen

ist. ,

Aus der Gleichung (4) folgt, daß. der Änderung der

optischen Länge fr des Lichtwegs um einen Betrag Ii im Mittel eine Änderung der Phase ψ der elektrischen Signale um einen Betrag 2TT entspricht. Dies besagt, daß die mittlere Empfindlichkeit ( ^iaittl. ~^Deim vorliegenden Verfahren gle.ich 2 ist.

Jedoch führt die Nichtlinearität der Gleichung

(4) dazu, daß in der Umgebung von Werten ^_m der gesuchten optischen Länge der Strecke, welche sich ermitteln zu

- 43 -I— (2m-1), . (6) ·

wobei m eine ganze Zahl ist, die Empfindlichkeit (y^) vielmal so groß sein kann wie der mittlere Wert

d Ψ 2

(-—η—).,.-, . So übersteigt beispielsweise χ_Λ =0,4 und r~ = 1 bei einer Änderung der optischen Weglänge in den Umgebungen der Punkte die Empfindlichkeit um das zweifache den mittleren Wert, d.h.

Diese Besonderheit kann zur Erhöhung der Ivleßgenauigkeit der optischen Länge J¹ des Lichtwegs ausgenutzt v/erden, wenn man bei der zweiten Ausführung sva-.riante des Verfahrens zuvor den Phasenwert ψ des elektrischen Signals mißt und einen Phasenweri^ ψ^. vorgibt, der einem der Werte lß_m = 2 $_m = ~|^:-(2m-1) /j5 gleich ist, welcher dem zuvor gemessenen Wert ψ am nächsten liegt.

Dem vorgegebenen Wert (A = ψ entspricht ein bekannter Wert Q der optischen V»eglänge.

Der gesuchte Wert ο der optischen Länge des Lichtwegs wird durch Subtraktion des registrierten Wertes

Λ O der Änderung der optischen Länge der Strecke vom bekannten Wert 0 entsprechend der Gleichung (5) ermittelt .

Die Inkonstanz der Werte A(tf ) und 3(i) ) sowie die Nichtlinearität der Gleichung (4) können Fehlerquellen bei der Messung der optischen Länge des Lichtwegs sein, besonders in den i'allen, wo die reflektierenden Jj'lächen große Reflexionskoeffiziente aufweisen.

Das wird dann nicht beobachtet, wenn man erfindungsgemäß nach gegenseitiger Umwandlung der Polarisationen der Lichtkomponenten I und II auf der vorgegebenen Wegstrecke Licht einer der Polarisationen (Fig. 2,3) unterdrückt. Es mögen die Komponenten I und II des Ausgang sucht bunde Is zirkuläre Polarisationen ei⁰ und ß° besitzen. Das erste reflektierte

interferierende Bündel weist beide Lichtkomponenten mit unveränderlichen Polarisationen et⁰ und ß° auf. Hinter dem Querschnitt, in dem die doppelbrechende Platte 3 angeordnet ist, erlangen die Komponenten des durch die reflektierenden Fläche des reflektierenden Elementes 1 hindurchgegangenen Lichtes lineare zueinander senkrechte Polarisationen: das Licht mit der Ausgangspolarisation oC° erlangt eine Polarisationo£", das Licht mit der Polarisation ß aber eine Polarisätion ß^f. Hierbei wird die Lichtkomponente mit einer der linearen Polarisationen, ζ·Β· c£*, unterdrückt,, und zur Fläche des reflektierenden Elementes 2 kommt nur eine Lichtkomponente mit der Polarisation ß^f. Ein Teil dieser Komponente durchsetzt die Fläche 2 des reflektierenden Elementes 2 und der andere Teil derselben Komponente wird reflektiert und erfährt auf dem Rückweg im Querschnitt der doppelbrechenden Platte 3 eine Umwandlung der linearen Polarisation ß^f in eine zirkuläre oC°, die die entgegengesetzte Drehrichtung des Vektors des elektrischen ü'eldes gegenüber der zirkulären Ausgangspolarisation ß° dieser Komponente aufweist. Ein Teil dieser Komponente passiert die Fläche des reflektierenden Elementes 1 und bildet ein zweites interferierendes Bündel. Der übrige Teil der infrage kommenden Licht komponente erleidet auf dem Weg von der Fläche des reflektierenden Elementes 1 zur Fläche des reflektierenden Elementes 2 hin eine Umwandlung der Polarisation«^⁰ in eine lineare Polarisation aC* , die senkrecht zur linearen Polarisation ß^r dieser Lichtkomponente ist, welche beim ersten Durchlauf des Lichtes von der Fläche des reflektierenden Elementes 1 zur Fläche des reflektierenden Elementes hin existiör.tr hat. Das übrige Licht mit der Polarisation o£' der infrage kommenden Komponente wird unter-'drückt. Auf solche Weise steht nur ein Bündel durchgelassenen Lichtes zur Verfügung, deswegen entsteht kein Interferenzbild.

Im reflektierten Licht nimmt man die Mischung zwei gebildeten Lichtbündel vor und teilt Licht mit verschiedenen Polarisationen in zwei Bündel auf, wobei in einem dieser Bündel nur eine Lichtkomponente vorhanden ist, so daß kein Interferenzbild entsteht, und im anderen Bündel die Zweistrahlinterferenz stattfindet.

Der Gleichstromanteil und die Amplitude des Wechselstromanteils, eines erhaltenen Signals hängen bei ■ der Zweistrahlinterferenz von der optischen Länge d des Lichtwegs auf der vorgegebenen Strecke nicht ab und sind daher keine Fehlerquellen. Der Zusammenhang _; der gesuchten Größe 0 mit der Phase ψ des elektrischen Signals wird durch eine einfache lineare Be-Ziehung

(f=z9 (7)

ausgedrückt·

Die Lösung dieser Gleichung ist ebenfalls einfach:

£(!/>) = if/2.

In diesem Fall findet keine Erhöhung der Empfindlichkeit statt. Jedoch stellt die lineare Abhängigkeit \f = 2 0 gleich genaue Messungen im gesamten Änderungsbereich der optischen Länge 0 des Lichtwegs . innerhalb der vorgegebenen Strecke sicher.

Ändert sich die zu messende optische Länge 0 des Lichtwegs mit der Zeit, d.h. ff =^(t), so wird gleichzeitig die Phase ^(t) der zu erhaltenden elektrischen Signale geändert. Durch ununterbrochene Messung und Registrierung der Größe ^(t) als Zeitfunktion untersucht man Änderungen der optischen Länge des Lichtwegs in der Realzeit.

Von Interesse ist in den meisten Fällen die Untersuchung eines Interferenzbildes als zweidimensionaler Verteilung der optischen Länge q (P) = 0 Cx»y) des Lichtwegs in der Koordinatenebene 0ΧΪ im Querschnitt interferierender Bündel. In diesen Fällen nimmt man die photographische Umwandlung des interferierte-n -v

Lichtes in einer Vielzahl' von Punkten ß- (x,y) des Interferenzbildes vor, mißt die Phasenwerte <f (/>)= <^(x»y) der in sämtlichen Punkten erhaltenen elektrischen Signale und ermittelt nach der Verteilung der Phasenwerte

'/'(Xfy) im Querschnitt der interferierenden Bündel eine gesuchte Verteilung der optischen Länge <? (x,y) des Lichtwegs in diesem Querschnitt. ·,

Mißt man dabei Phasendifferenzen der Signalpaare, die den Paaren von Punkten im Querschnitt entsprechen, clie längs der gewünschten Richtungen in einem Interferogramm gewählt sind, so erhält man Werte der Gradiente der optischen Länge längs dieser Richtungen.

Man muß bemerken, daß der Phasenwert e.ines Signals in dem Sinn, in dem er oben gebraucht wurde, besteht im allgemeinen Fall aus einer ganzen Zahl F von Zyklen 2 % und einem Bruchteil f des Zyklus in Grenzen von O bis 2 % s

if= 2 TiXe + f) (8).

Durch Einsetzen der Beziehungen (2) und (6) in. die Gleichung (4) oder (7) unter Berücksichtigung der Periodizität der Größe φ (d ) erhält man eine Beziehung P = 2.D und eine, folgende Beziehung für die gesuchte-'optische Länge i> des Lichtwegs S = 2/Td(f) + Tc-Έ' (9)₅ worin d(f > eine Lösung der Gleichung (4) oder (7) bei .^= f und d = S ist ' · ' '

Bei der Messung der Phase eines elektrischen Signals ermittelt man eindeutig nur den Bruchteil f,-während die ganze Zahl P der Zyklen der -Phase bei ij) = f unbestimmt bleibt. Solche Messungen der Phase erlauben es, lediglich Änderungen der optischen Weglänge, d.h.

ΔΟ = Δ d, in der Zeit oder im Feld des Interferenzbildes zu messen. Dazu sind die Zeitintervalle zwischen den Messungen und die Abstände zwischen den Meßpunkten so bemessen, daß sich die zu messenden Phasen der Signale voneinander um einen Betrag unterscheiden, der geringer als 2 % ist, und wird die Vorwärts- und Rückwärtszählung der Zyklen der Phase je nach dem Anderungsvorzei-

chen der Phase vorgenommen.

Zur Bestimmung der ganzen Zahl F von Zyklen der Signalphase wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, zusätzliche Messungen des Bruchteils f^ der Signalphase hei verschiedenen Wellenlängen λ des kohärenten Lichtes vorzunehmen· Die Anzahl ρ zusätzlicher Messungen und die Vierte der zusätzlichen Wellenlängen Λ werden durch den Meßbereich i_m_« der optischen Länge und durch den Meßfehler für den Bruchteil f des Zyklus der Signalphase bestimmt.

Das Verfahren zur Messung der gesamten optischen Länge einer Strecke besteht erfindungsgemäß aus folgenden Verfahrensschritten:

- man erzeugt ein kohärentes Lichtbündel mit bekannter Wellenlänge /\_Q; man mißt den Bruchteil t_Q des Phasenwertes;

- man erzeugt gleichzeitig oder nacheinander ρ Bündel kohärenten Lichtes mit Wellenlängen Pi^₁ Λρ' Λο ... j Λ a ..·.» Λ_ρ» welche der Bedingung

■ Λ-;=

gerecht werden, wobei P = int [ 1^+ln(^_max/2 A") /ln(1/3?)] (int[ft]ist ganzzahliger Teil einer Zahl a) auf· den Meßbereich υ„ der optischen Länge zurückzuführen 1st i ^geringer als 1 ist und eine Größe darstellt, die vom Meßfehler für den Bruchteil f des Zyklus beeinflußt wird; - ·

- man mißt für jede Wellenlänge \ . einen zugehöri-

gen Wert f. des Bruchteils des Phasenzyklus; «3

- man ermittelt Af. aus der Formel:

1 f - f .

aüsCf_o-f_d) '

- man ermittelt den Wert F . nach folgender Formel

A f

F^ = intC - Af₃ + —\- ) ; (11)

- man bestimmt die ganze Zahl F = F^ der Phasenzyklen nach der Formel (11), worin ^Äf_Q+1 = f ist;

/U»

- man findet den'gesuchten Wert D der. optischen Länge der vorgegebenen Strecke unter Verwendung der Beziehung. . (9)

27TdCf₀) + XE_p+1 .

Das zu patentierende Laserinterferometer zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Messung der optischen Länge einer vorgegebenen Strecke umfaßt (Fig. 4) :

- einen Laser 4, der ein Bündel S kohärenten Lichtes mit bekannter Wellenlänge λ. emittiert;

- eine in Richtung des kohärenten Lichtbündels hinter dem Laser 4 angeordnete Vorrichtung 5 zur Aussonderung zweier kollinearen Lichtkomponenten I und II mit unabhängigen Polarisationen oC und J3; . - eine in Richtung des kohärenten Lichtbündels S hinter dem Laser 4 angeordnete und mit der Vorrichtung 5 funktional verbundene Vorrichtung 6 zur Verschiebung der Lichtfrequenz einer der genannten Komponenten gegen die Lichtfrequenz der anderen Komponente um ei-

nen Betrag Q ; ■

- einen Steuergenerator 7 elektrischer Rundfunk— frequenzsignale, der an die Vorrichtung 6 zur Verschiebung' der Lichtfrequenz angeschlossen ist;

- zwei reflektierende Elemente 1 und 2, die in Richtung des Lichtbündels hintereinander und im Abstand, der vorgegebenen Strecke einander gegenüber angeordnet sind und zur Erzeugung einer Reihe interferierender Bündel durch mehrfache Reflexion des Lichtes zwischen diesen Elementen dienen; - eine doppelbrechende Platte 3, die zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 angebracht und zur gegenseitigen Umwandlung der Polarisationen gC und ß der genannten Lichtkomponenten I und II bestimmt ist;

- ein Photoregistriergerät 8, das einen quadratisehen photoelektrischen Wandler 9» ζ,Β. ein Photoelement oder einen PhotovervieIfacher, und eine Einheit 10 zur Messung der Phase des Rundfunkfrequenzsignals

BAD ORIGINAL

enthält, die an den Ausgang des photoelektrischen Wandlers 9 angeschlossen ist;

- ein vor dem photoelektrischen Registriergerät 8 angebrachtes Polarisationselement 8 zur Abtrennung eines Teils des interferierten Lichtes mit einer der Polarisationen &C oder ß zum Photoregistriergerät hin;

- eine an den Ausgang der Phasenmeßeinheit 10 angeschlossene Recheneinrichtung 12.

Das Interferometer arbeitet wie folgt. Ein Bündel S kohärenten Lichtes kommt vom Laser 4 zur Vorrichtung 5, die im Bündel S zwei Komponente I und II mit unterschiedlichen unabhängigen Polarisationen ⁰^-und ß - linearen zueinander senkrechten oder zirkulären Polarisationen - aussondert, die entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors eines elektrischen Jj'eldes auf-■ weisen. Durch die Vorrichtung 6 wird die Lichtfrequenz einer der Komponenten, z.B. der Komponente II, um einen Betrag Q. verschoben, der in den'Rundfunkfrequenzbereich eingeht. Jüie Vorrichtung 5 teilt die Komponenten I und II im Raum in getrennte Bündel auf, nach der Verschiebung der Lichtfrequenz aber werden die Bündel sowohl über den Querschnitt als auch in der Ausbreitungsrichtung wieder vereinigt. Es ist wichtig, daß hinter den Vorrichtungen 5 und 6 ein Bündel S' mit zwei kollinearen Komponenten I und· II formiert wird, die unabhängige Polarisationen oC und ß und unterschiedliche Frequenzen Cd und (ύ + ζϊ besitzen. Das genannte Bündel S' erfährt eine Mehrstrahlinterferenz bei mehrfachen Reflexionen von den Elementen 1 und 2, so daß entsprechend der Theorie im durchgelassenen und reflektierten interferierten Licht jeder Polarisation Schwebungen der Intensität mit der Frequenz ζχ und einer Phase (J entstehen, die mit der gesuchten Größe durch die Gleichung (4) zusammenhängen.

Der photoelektrische Wandler 9 wandelt Intensitätsschwebungen in ein elektrisches Rundfunkfrequenz

/Ud

signal mit der Frequenz Q. und Phase ψ um, während die Einheit 10 die Phase dieses Signals mißt.' Die Recheneinrichtung 12 findet eine Lösung der Gleichung (4), welche die gesuchte optische Länge 0 der vorgegebenen Strecke des Lichtwegs zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 ist.

Die Vorrichtung 5 kann derart ausgeführt werden, daß die Lichtkomponenten I und II mit zirkulären, entgegengesetzt gerichteten PolarisationenoC° und ß° ausgesondert; werden, wozu beispielsweise als Vorrichtungen 4, 5 und 6 im erfindungsgemäßen Interferometer ein Zweifrequenzlaser verwendet werden kann, der den ■ Seeman-Bffekt zur Aussonderung der Lichtkomponenten I und II und Verschiebung der Lichtfrequenz einer der ausgesonderten Komponenten ausnutzt. In diesem Fall weisen im durch die reflektierenden Elemente 1 und 2 hindurchgegangenen Licht die Komponenten I und II der interferierenden Bündel lineare, zueinander senkrechte Polarisationen öl * und ß* auf. Durch das Polarisationselement 11 wird das Bündel des interferierten Lichtes in zwei Bündel mit genannten linearen Polari-' sationen O^' und ß^f zerlegt.

Ist die Vorrichtung 5 so aufgebaut, daß sie die Lichtkomponenten I und II mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen o6^f und ß· aussondert, z.B. in Form eines Zweistrahl-Polarisationsinterferometers, wie es in der Arbeit von N.A. Massie, veröffentlicht in der zeitschrift Applied Optics, vol. 19," Nr. 1, 1960, p. 154-160 beschrieben ist, so besitzen die Komponenten der interferierenden Bündel des durch die reflektierenden Elemente 1 und 2 hindurchgegangenen Lichtes zirkuläre Polarisationen o6° und ß°. Bei'dieser Ausführungsform des Laserinterferometers muß vor dem Polarisations element 11 eine A/4-Platte 13 (Fig. 5) angebracht sein, durch die die zirkulären Polarisationen in zueinander senkrechte lineare Polarisationen umgewandelt werden.

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Aus dem Obendargelegten folgt, daß bei hohen Durchlässigkeitskoeffizienten ^y, und ^2 ^^{es von} ^^{en re}~ flektierenden Elementen 1 und 2 durchgelassenen Lichtes die Intensitätsschwebungen des interferierten Lichtes eine geringe Modulationstiefe Q = B/A haben, was zu einem kleinen Verhältnis des elektrischen Rundfunkfrequenzsignals zum Schrottrauschen und als Folge davon zu einem großen Meßfehler der Phase if des Signals führt. Bei kleinen Durchlässigkeitskoeffizienten ^₁ und *L₂ ^es ^von α·^Θη Elementen 1 und 2 durchgelassenen Lichtes ist eine starke Nichtlinearität der Abhängigkeit (4) der Phase ψ des elektrischen Signals von der gesuchten optischen Länge " 0 der Strecke feststellbar. Zur Registrierung des Interferenzbildes in reflektiertem Licht ist zwischen der Vorrichtung zur Verschiebung der Lichtfrequenz und dem reflektierenden ■ Element 1 ein lichtteilendes Element 14 zur Abtrennung der reflektierten interferierenden Lichtbündel angebracht, während das Polarisationselement 11 und das Photoregistriergerät 8 auf der optischen Achse der durch das lichtteilende Element 14 abgetrennten inter-. ferierenden Bündel angeordnet sind. Sind die Polarisationen der Komponenten des Ausgangsbündels S' linear j dann sind die Polarisationen der Komponenten der re-· flektierten interferierenden Bündel ebenfalls linear. Dabei muß das Interferometer ein Schema haben, das in Pig. 6 gezeigt ist.

Wenn die Polarisationen der Komponenten des Ausgangsbündels S' zirkulär sind, weisen die Komponenten der reflektierten interferierenden Bündel ebenfalls zirkuläre Polarisationen auf. Hierbei muß vor dem Polarisationselement 11 eine λ/4 - Platte 13 (siehe Fig· 5) angeordnet sein.

Das erwähnte Polarisationselement 11 stellt bei einer der Ausführungsformen einen Polarisator dar, durch den das interferierte Licht mit einer der unabf hängigen linearen Polarisationen oi¹ oder ß^f zum

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toregistriergerät durchgelassen und Licht mit der anderen dieser Polarisationen (siehe Fig. 4 bis 6) unterdrückt wrcd.

Das Polarisationselement 11 kann auch einen PoIarisationslichtteiler 11, z.3. ein Glansches Prisma, Wollaston-Prisma u.a., darstellen, v/elcher das Bündel des interferierten Lichtes in zwei Bündel mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen oC ^f und ß_f' aufteilt. In diesem EaIl ist das Photoregistriergerät in Form von zwei photoelektrischen Wandlern 9 ausgeführt, von denen die erste auf der optischen Achse des einen der zwei aufgeteilten Bündel und der zweite auf der optischen Achse des anderen (Fig. 7) angeordnet ist. Aus den Beziehungen (3) und (3^f) geht hervor, daß die elektrischen Rundfunkfrequenzsignale, welche durch photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes in den erwähnten aufgeteilten Bündeln erhalten sind, einander ähnlich sind, deren Phasen ψ aber entgegengesetzte Vorzeichen haben. Die beiden.photoelektrisehen Wandler 9 und 9' sind an eine Einheit 10 zur Phasenmessung angeschlossen, wobei der eine Wandler mit dem Meßeingang dieser Einheit und der andere mit dem Bezugseingang derselben in Verbindung steht. In diesem Fall übersteigt das Meßergebnis der Phase um das Doppelte den Phasenwert ψ in jedem getrennten Signal. Bei einer solchen Ausführung des Polarisationselementes und des photoelektrischen Registriergeräts zeigt das Laserinterferometer eine zweifach so große Empfindlichkeit gegenüber den früher beschriebenen Ausführungsforxiien des Laserinterferometers.

Es ist bekannt, daß eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Interferometers durch Benutzung der Nichtlinear ität der Abhängigkeit (4) erreichbar ist. Ein solches Interferometer (dessen Schema in Fig. ö gezeigt 'ist) enthält:

- eine Vorrichtung 15 zur Änderung der optischen Länge 0 der vorgegebenen Strecke des Lichtwegs, die

mit einem Geber 16 versehen ist und den Betrag " dieser Änderung zu registrieren gestattet;

- eine an die Phasenmeßeinheit 10 angeschlossene Einheit 17 zur Vorgabe von Phasenwerten ψ% , die den bekannten Werten <3#- der optischen Länge der Strecke entsprechen;

- eine Einheit 18 zum Vergleich der gemessenen mit ■der vorgegebenen Phase, deren Eingänge jeweils an die Einheit 10 und Einheit 17 angeschlossen, sind. Die Becheneinrichtung 12 ist mit dem Geber 16 und der Einheit 17 verbunden.

Das Laserinterferometer nach dieser Ausführungsform arbeitet wie folgt. In der Ausgangslage befindet sich die Vorrichtung 15 im neutralen Zustand, bei dem die Strecke die gesuchte optische Länge aufweist. Die Einheit 10 mißt eine Phase ψ eines elektrischen Signals, die der optischen Länge O ■ der vorgegebenen Strek ke entspricht. Der Phasenwert ψ gelangt an die Einheit 17, durch die ein dem ψ nächstliegender Phasenwert ¹ZL= i/L vorgegeben wird, dem gemäß der Beziehung (6) der bekannte Wert u# = u_m der optischen Länge der Strecke zugeordnet ist. Der gemessene Phasenwert γ ■ und der vorgegebene Phasenwert r* treffen am Eingang der Phasenvergleichseinheit 18 ein. In dieser werden die

' 25 Werte ψ und ψ^ miteinander verglichen und ein Abweichungssignal u geliefert, das proportional der Differenz der zu vergleichenden Phasen, d.h. u~ ^ - ψψ₁ ist. Unter der Einwirkung des Abweichungssignals u ändert die Vorrichtung die optische Lange der Strecke. Gleichzeitig damit wird der Pliasenwert lf des elektrischen Kundfunkfrequenzsignals am Ausgang der Einheit 10 geändert, so daß das Abweichungssignal u auch eine Änderung erfährt. Die Änderung der optischen Länge der Strecke geht so lange vor sich, bis .der phasenwert ψ am Ausgang der Einheit 10 den vorgegebenen Phasenwert ^ erreicht und das Abweichungssignal verschwindet. Auf das von der Einheit 1ö gelieferte Signal u = O

O ο uo/υ α

führt die Recheneinrichtung 12 die Subtraktion des vom Geber 16 erfaßten Meßwertes Δ O der optischen Länge der Strecke vom bekannten Wert o* aus, der dem vorgegebenen Phasenwert ψ%· entspricht.

Die Vorrichtung 15 zur Änderung der optischen Länge der Strecke des Lichtwegs' kann in Form einer hermetisch abgeschlossenen Zelle 15' bekannter Länge, die zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 angebracht und mit einem bekannten Gas gefüllt ist, und

-ΊΟ eines Kompressors I5" zur Änderung des Drucks P des erwähnten Gases in der Zelle bei bekannter Temperatur ausgebildet sein. Der Geber 16 für die Änderung der optischen Weglänge kann einen Gasdruckgeber 16' (i"ig.9) darstellen.

Dieselbe Vorrichtung 15 kann in Form einer aus bekanntem Werkstoff bestehenden Zelle 15 bekannter Länge und eines Heizelementes 15 ausgebildet sein, die zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 Platz finden. Der Geber 16 kann hierbei einen Geber 16" für Temperatur T (Fig. 10) darstellen.

Die Einheiten 17 und 1ü können als selbständige digitale oder analoge elektronische Einrichtungen ausgeführt werden, wie es in Fig. ·δ gezeigt ist. Jedoch kann deren Funktionen unmittelbar die Recheneinrichtung 12 ausüben, die einen Computer darstellt. Das Schema eines solchen Interferometers ist in U¹Xg. 11 gezeigt. Das beschriebene Interferometer kann zur Konstanthaltung der vorgegebenen optischen Länge der Strecke des Lichtwegs zwischen den reflektierenden Elementen 1 und 2 erfolgreich eingesetzt werden.

Nimmt man die Messungen der optischen Länge der vorgegebenen Strecke iuittels eines Interferometers mit. nichtlinearer Abhängigkeit (4) vor, so erhält man für verschiedene gemessene v/erte von Q eine unterschiedliehe Meßgenauigkeit. Um die lineare Abhängigkeit (7) sicherzustellen, enthält erfindungsgemäß das Laserinterferometer einen Polarisator I9, der zwischen den A

reflektierenden Elementen 1 und 2 hinter der doppelbrechende Platte 3 CiJ¹Ig. 12) angeordnet ist. Zur erfolgreichen Arbeit des Interferometers nach dieser Ausführungsform muß die Vorrichtung 5 "bei der Erzeugung des Ausgangslichtbündeis zirkuläre Polarisationen aussondern, die entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors des elektrischen Jb'eldes aufweisen. Das erste interferierende Bündel wird bei der Reflexion von dem reflektierenden Element 1 formiert. Beim Durchlauf des Lichtes innerhalb der vorgegebenen Strecke in Richtung vom.reflektierenden Element 1 zum Element 2 werden die zirkulären Polarisationen der Lichtkomponenten des Ausgangsbündel in lineare zueinander senkrechte Polarisationen umgewandelt und eine der Lichtkomponenten wird durch den Polarisator 19 unterdrückt. Der andere Lichtkomponente kehrt zum Element 1 zurück, nachdem ihre lineare Polarisation in der Platte 3 eine Umwandlung erfahren hat. Ein Teil dieser Lichtkomponente durchsetzt das Element 1 und bildet ein zweites interferieren· des Bündel. Der übrige Teil des Lichtes der zweiten Komponente wird beim zweiten Durchlauf vom Element 1 zum Element 2 hin unterdrückt. Der reflektierte erste und zweite Bündel werden gemischt und bilden eine Zweistrahlinterferenz. Die Abhängigkeit der Phase ψ der Intensitätsschwebungen des interferierten Lichtes von der optischen Länge g der Strecke des Lichtwegs wird durch die Beziehung (7) definiert.

Die reflektierenden Elemente 1 und 2, welche zur Vorgabe der Strecke des Lichtwegs und zur Erzeugung interferierender Bündel können im einfachsten Fall wie es oben beschrieben wurde (siehe Fig. 4, 6, 8) in einem vorgegebenen Abstand auf der optischen Achse • OZ des Ausgangslichtbündeis S' einander gegenüber angeordnet sein. Die interferierenden Bündel werden bei mehrfacher Reflexion des Lichtes innerhalb der Strecke zwischen den Spiegelflächen 1 und 2 gebildet. Die besten Charakteristiken des Interferometers werden in

diesem Fall dann erreicht, wenn die doppelbrechende Plat- . te eine Λ/4-ilatte darstellt. Insbesondere können die ! reflektierenden Elemente 1 und 2 teilweise reflektie- , rende Spiegelflächen darstellen, die Planflächen sind oder eine kompliziertere Form besitzen.

Mindestens eines der reflektierenden Elemente 1 oder 2 können ein Beugungsgitter 1' bzw. 2' darstellen, das derart angebracht ist, daß die Achse des Lichtbündels einer der Beugungsordnungen des erwähnten Gitters . mit der Achse zusammenfallt, auf der die reflektieren- ; den Elemente angeordnet sind. Das Ausgangslichtbündel S' ! kann in die Strecke zwischen den Beugungsgittern 1' und ί 2' durch eines der Gitter 1* oder 2' hindurch so einge- ■| führt, wie es bei den Spiegelflächen der Fall ist (Fig. j 4, 6), oder unter einem Beugungswinkel gegen das Beu- ! gungsgitter 1'(Fig. 13,A). Das Photoregistriergerät 8 I kann auch entweder auf der Achse des Bündels, wie es bei den Spiegelflächen (Fig. 4 und 6) der Fall is"c., oder auf der Achse eines der vom Beugungsgitter 2*gebeugten \ Bündel (Fig. 13 jß) angeordnet sein. Die Wirkungsweise des Interferometers ist in diesem Fall die gleiche wie oben beschrieben·

Die reflektierenden Elemente 1, 2 und 2'*, deren . Anzahl drei und darüber beträgt,.können in Ecken einer geschlossenen gebrochenen Linie angeordnet v/erden, die eine vorgegebene Strecke des Lichtwegs (Fig. 14) darstellt. Das Ausgangslichtbündel durchsetzt das teilweise reflektierende Element 1 und durchläuft weiter mehrfach die geschlossene gebrochene Linie in gleicher Richtung, indem dieses Bündel von den Elementen 2, 2' und 1 der Heihe nach reflektiert wird. 3ei jedem Durchlauf erleidet Licht eine zusätzliche Phasenverschiebung der Lichtwelle, die gleich der optischen Lange O der geschlossenen gebrochenen Linie ist, und eine Umwandlung der Polarisation mittels der doppelbrechenden Platte 3. Bei jedem Durchlauf tritt ein Lichtteil, indem er durch das Element 1 abgetrennt wird, aus der geschlossenen

Strecke aus und bildet ein nächstes interferierendes Bündel. Das Photoregistriergerät 8 ist auf der Achse der aus der geschlossenen Strecke austretenden interferierenden Bündel angeordnet. Die besten Charakteristiken des Interferometers werden in diesem Fall dann erreicht, wenn die doppelbrechende Platte eine Λ/2-Platte darstellt.

Das Beugungsgitter Y oder 2', welches als reflektierendes Element 1 bzw. 2 verwendet wird, ist bei ei-' ner solchen Bauschema der vorgegebenen Strecke des Lichtwegs so aufgestellt, daß das in einer der Beugung sordnungen,. z.B. in der ersten reflektierte Lichtbündel auf das - in Richtung des Lichtbündels innerhalb der vorgegebenen Strecke gesehen - nächste, dritte reflektierende Element 2' (Fig. 15) auftrifft.

Es sei nun die Wirkungsweise des Interferometers behandelt, dessen Schema in Fig. 15 abgebildet ist. Als erstes reflektierendes Element 1 wird ein teilweise durchlässiges Beugungsgitter Y benutzt. Gegenüber dem Gitter 1 ist das zweite reflektierende Element in Form eines Reflexionsgitter 2' angeordnet. Als drittes reflektierendes Element 2" kann eine Spiegelfläche dienen.

Das Ausgangslichtbündel S' durchsetzt das durchlässige Gitter 1'und wird daran in eine Reihe gebeugter Bündel zerlegt. Das Bündel nullter Ordnung durchläuft zum Beugungsgitter 2', an dem es wieder in eine Reihe von Beugungsordnungen zerlegt wird. Das Bündel der 1. BeugungsOrdnung gelangt vom Gitter 2·' auf das dritte reflektierende Element 2", wird von diesem zurückgeworfen und fällt auf das Beugungsgitter Y unter dessen Winkel der -1. Ordnung. Beim Zusammenwirken mit dem Gitter 1'wird das Bündel in eine Reihe gebeugter Bündel wieder aufgeteilt, deren einer Teil aus der vorgegebenen Strecke durch das Gitter 1'im Durchlioht austritt und deren anderer Teil reflektiert wird. Das vom Gitter 1'reflektierte Bündel der -1. Ordnung durchläuft den

V/eg des ursprünglichen Bündels der ö. Ordnung und sein. Weg wird mehrmals wiederholt.

Die doppelbrechende Platte 3 stellt eine λ/2-Platte dar, wenn durch sie nur Bündel gleicher Beugungsordnung hindurchgehen, oder eine Platte, die eine Differenz der Phasenverschiebungen der Lichtwellen in zwei nutzbaren BeugungsOrdnungen, z.B. der nullten und der -1. Ordnung, besitzt, welche gleich Λ/4 dann ist, wenn die Platte 3 in der iiähe eines der Beugungsgitters angeordnet ist.

In jedem der gebeugten Bündel des aus der Strecke durch das Gitter 1' austretenden Lichtes findet eine JV. ehr Strahlinterferenz statt, die durch die Theorie des vorgeschlagenen Verfahrens beschrieben wird, deshalb "

^r kann das Photoregistriergerät 8 für ein Ivlehrstrahlinterferenzbild im Weg eines beliebigen oder mehrerer gebeugter Bündel angeordnet sein.

Sin solches Bauschema der vorgegebenen Strecke kann bei der Notwendigkeit der Messung der optischen Länge des Lichtwegs auf einer krummlinigen Strecke oder bei einer Notwendigkeit, ein Lichtbündel durch die vorgegebene Strecke in nur einer Sichtung hindurchzulassen, benutzt werden.

Hs genannte Beugungsgitter 1'und 2' können z.B.

pe J^plogramme verwendet werden.

.In den meisten Aufgaben, welche mit Hilfe der Interferometrie gelöst werden, besteht die Notwendigkeit, die Form und Deformation der Wellenfront des durch die vorgegebenen Strecke hindurchgegangenen Lichtes zu mes-

OQ sen, d.h. es müssen optische Längen der vorgegebenen Strecke in Richtung der Strahlen gemessen werden, die durch die gegebenen Punkte /0= (x,y) des Querschnittes der interferierenden Bündel verlaufen.

jiine solche Aufgabe wird mit dem erfindungsgemäß

•ic vorgeschlagenen Laserinterferometer gelöst, wozu es ein vor den reflektierenden Elementen (Fig. 16) angeordnetes optisches System 20 zur Verbreitung des Ausgangslichtbündels S' enthält.

In diesem Fall maß im Photoregistriergerät 8 die Möglichkeit vorgesehen sein, Intensitäten des interferierten Lichtes in verschiedenen Punkten des Querschnittes der interferierenden Bündel umzuwandeln. Dazu ist das Photoregistriergerät 9 mit einer Einrichtung 21 zur Abtastung eines Interferenzbildes (Fig. 16) versehen. Die Abtasteinrichtung 21 kann eine mechanische Baueinheit zur Verschiebung des photoelektrischen Wandlers in Punkte des Interferenzbildes, einen elektrooptischen oder akusto- optischen Deflektor, einen Sonnenbildzerleger usw. darstellen.

Ivian beachte, daß als Vergleichssignal bei der Messung der Phase des elektrischen Signals ein Signal vom Steuergenerator 7 dient. Dabei können die Vorrichtung

-je; 5 zur Aussonderung von Lichtkomponenten des Ausgangsbündels S* und die Vorrichtung 6 zur Verschiebung der Lichtfrequenz einer der Komponenten einen Fehler in das IvUeJB er gebnis der Phase mit sich bringen. Die systematische Komponente dieses Fehlers wird während der Anfangseichung beseitigt, jedoch führen zufällige Phasenstörungen während der Abtastung eines Interferenzbildes zu Verzerrungen der zu messenden Verteilung der optischen Länge der Strecke.

Dm diese Verzerrungen zu beseitigen, enthält das Laserinterferometer ein optisches lichtteilendes SIe- ment 22, das vor dem Photoregistriergerät ö angeordnet und zur Abtrennung eines Teils interferierten Lichtes zum zusätzlichen Photoregistriergerät 23 bestimmt ist. Das lichtteilende Element 22 enthält einen zusätzlichen Wandler 24 und eine zusätzliche Einheit 24 zur Messung der Phase (Fig. 17). Das elektrische Signal des zusätzlichen photoelektrischen Wandlers 24 kann als Vergleichssignal zur Messung der Phase benutzt werden, die durch die Einheit 10 des Haupt-Photoregistriergeräts vorgenommen wird. Die Phasenverzerrungen können auch durch Subtraktion der Meßergebnisse der Phase im zusätzlichen Photoregistriergerät von den Meßergebnissen der Phase im Haupt-Photoregistriergerät mit Hilfe

.Recheneinrichtung 12 ausgeschaltet werden, wenn bei der IV.es aungj der genannten Phasen als Vergleichssignal ein und dasselbe Signal für die Einheiten 10 und 25» z.ß. das Signal vom Steuergenerator 7 in Frage kommt.

Sowohl der photoelektrische Rauptwandler 9 als auch der zusätzliche photoelektrische Wandler 24 können einen einzelnen quadratischen Photodetektor 9'bzw. 24', z.B. einen Photovervielfacher oder eine Photodiode, darstellen, welcher die Umwandlung des interferierten Lichtes in einer Reihe von Punkten des Interferenzbildes je nach der Abtastung hintereinander durchführt .

Der photoelektrische Hauptwandler 9 und der photoelektrische zusätzliche Wandler 9 können auch in Forin einer Matrix 26 bzw. 26'ausgebildet werden, die aus mehreren Photodetektoren 9' bzw. 24' bestehen, wobei die Ausgänge aller Photodetentoren an die Phasen-Meßeinheit 10 bzw· 25 über einen Umschalter 27 elektri scher Signale angeschlossen v/erden. An der Abtastung des Interferenzbildes beteiligt sich außer den oben beschriebenen Abtastmitteln der Umschalter 27 des Photoregistriergeräts durch Umschalten der Ausgangssignale der einzelnen Photodetektoren 9'(FIg. 18).

Sin solches Interferometer ist zur Messung der op tischen länge einer Strecke in statischem Zustand oder bei stationären Änderungen derselben geeignet.

Uia die optische Länge der Strecke bei nichtstatio nären Änderungen messen zu können, ist der Ausgang jedes der einzelnen Photodetektoren 9'der Matrix 26 an eine eigene Haupt-Phasenmeßeinheit 10'(Fig. 19) angeschlossen, und der Ausgang jedes der einzelnen Photodetektoren 24' der zusätzlichen Matrix 26' kann an eine zusätzliche eigene Phasenmeßeinheit 25 (Fig. 20) angeschlossen werden. Ein IVlehrkanal-Phasenmeßsystem 28 mißt gleichzeitig Signalphasen, die einer Reihe von Punkten des Interferenzbildes entsprechen. Die Registrierung der Phasenwerte kann gleichzeitig auf ein

äußeres Synchronisiersignal erfolgen, das von einem Zeitgeber, der Recheneinrichtung 12 oder einer anderen Quelle geliefert wird. Diese Phasenwerte werden in die Recheneinrichtung 12 eingegeben und geben das Bild einer Jäomentanverν eilung der optischen Länge der Strecke im Querschnitt der interferierenden Bündel wieder.

Die Messungen der Phase durch die Einheiten 10, 10', 25 und 25' können bezüglich des Signals des Generators 7 erfolgen. Dazu müssen die Vergleichssignaleingänge der genannten Einheiten mit dem Ausgang des genannten Generators 7 verbunden sein. Außerdem ist es zweckmäßig, die Phasen der Signale .einiger Photodetektoren 9' des Haupt-Photoregistriergeräts ü in bezug auf ein oder mehrere Signale der Photοdetektoren 24' der Matrix 26' des zusätzlichen Photoregistriergeräts 23 zu messen. Zu diesem Zweck muß mindestens einer der einzelnen Photodetektoren 24' des zusätzlichen Photoregistriergeräts 23 an wenigstens eine Phasenmeßeinheit 10' des Haupt-Photoregistriergeräts β angeschlossen sein. Die beste Ausführungsvariante eines solchen Interferometers ist in Fig. 10 dargestellt.

'<7enn das Interferometer mindestens je eine Vorrichtung 15 zur Änderung der optischen Länge der Strekke, einen Geber 16 für die Änderung der optischen Weglänge, eine Einheit 17 zur Vorgabe der Phase und eine Phasenvergleichseinheit 18 enthält, welche nach dem oben beschriebenen Schema (siehe Fig. 8) mit mindestens einem Photodetektoren verbunden sind, kann das Interferenzbild in zumindest einem Punkt konstantgehalten werden, der einer betreffenden Lage des genannten Photodetektors entspricht.

Bei Messung von Verteilungen der optischen Länge der Strecke im Querschnitt der interferierenden Bündel großen Durchmessers mit einem hohen Auflösungsvermögen über das Feld des Interferenzbildes hinweg fällt auf den photoelektrischen Wandler 9 wenig Licht, des-

halb ergibt sich am. dessen Ausgang ein geringes Verhältnis des funkfrequenten Imtzsignal zum Schrottrauschen» Dies führt zu einem hohen fehler bei der Mes·^· sung der Phase ^ . Außerdem weist das Strahlungsbündel des Lasers 4 im Querschnitt ein Intensitätsprofil auf, das der Gauß-Kurve nahe ist, deswegen wird die mittlere Intensität interferierten Lichtes im querschnitt der interferierenden Bündel von Punkt zu Punkt s^ark geändert. Dies hat einen großen Unterschied in der Genauigkeit der Messung der Blase in der Lütte und im Randgebiet des ·Interferenzbildes zur tfolge.

Um die.Meßgenauigkeit der optischen Länge der Strecke zu erhöhen und gleich genaue Messungen über das gesamte Is'eld des Interferenzbildes zu sichern, ist erfindungsgeinäß im. Laserinterferometer eine Vorrichtung 29 zur Parallelverschiebung des Ausgangslicht bündeis S' gegen sich selbst in zwei zueinander senkrechten Richtungen X und Y vorgesehen, welche zur Achse OZ des Bündels (3?ig. 21) senkrecht sind. Diese Vorrichtung ⁽

ist zwischen den Vorrichtungen 5 und 6 zur Formierung des Ausgangslichtbündeis einerseits und den reflektierenden Elementen 1 und 2 andererseits angeordnet. Bei der Parallelverschiebung des kollimierten 3ündels S' gegen sich selbst bleibt die Wellenfronte immer paral-IeI zu einer Ebene, die ähnlich der Wellenfront eines breiten kollimierten Bündels ist. Die Verteilung der Phasen ψ(β) der Int ensitäts schwebung en bleibt ebenso gleich wie bei einem unbeweglichen breiten kollimierten Bündels. Jedoch ist die Lichtstromdichte in den Punkten des Interferenzbildes, die durch das schmale Lichtbündel abgetastet werden, um einige zehn oder sogar hundert Male höher, so daß das Signal/Eauschen-Verhältnis am Ausgang des photoelektrischen Wandlers erhöht wird»

Das Licht eines engen Abtastbündels kann auf den photoelektrischen Wandler, z.B. mittels eines Sammelobjektivs 30 gerichtet werden, das in der Brennweite vom Photoregistriergerät (Fig. 22) angeordnet ist. A

Das enge Abtastbündel interferierten Lichtes kann unmittelbar auf den photoelektrischen Wandler 9 auftreffen, wenn die genannte Vorrichtung 29 zur Parallelverschiebung des Lichtbündels gegen sich selbst in Hinsicht auf ihre Bewegung mit der Abtasteinrichtung 21 gekoppelt ist (siehe Fig. 21).

Stellt der photoelektrische Wandler 9 des Photoregistriergeräts eine Matrix 26 aus mehreren einzelnen Photodetektoren 9' dar, die an die Phasenmeßein-

Ί0 heit über den Umschalter 27 angeschlossen sind, so

ist es zweckmäßig, die Vorrichtung 29 zur Parallelverschiebung des Lichtbündels mit dem Umschalter 27 zu verbinden, um ihre Anpassung sicherzustellen (3?ig. 23)· Bei' der Einstellung des Laserinterferometers und im Keßvorgang entsteht die Notwendigkeit, ein Interferenzbild visuell zu beobachten oder es zu registrieren. Jedoch geschehen die Schwebungen der Lichtintensität mit einer hohen Frequenz, deshalb ist kein Interferenzbild beobachtbar. Um das Interferenzbild registrieren zu können, enthält das Interferometer einen Lichtintensitätsmodulator 31, der vor dem zusätzlichen Photoregistriergerät 23 angebracht ist, und einen Generator 32 elektrischer Impulse, der an den Modulator 32 angeschlossen ist, wobei das zusätzliche Interferenzbild-Photoregistriergerät 23 als Bildregistrierer 23' ausgebildet ist.

Um ein Interferenzbild visuell in statischem Zustand beobachten zu können, ist der Generator 32für elektrische Impulse mit dem Steuergenerator 7 verbunden und mit diesem in der Impulsfolgefrequenz (siehe Fig. 24) synchronisiert. Das Interferenzbild, dessen Streifen ununterbrochen laufen, werden auf das. zusätzliche Photoregistriergerät 23 erst in den Zeitpunkten projiziert, da die Streifen, nachdem sie sich um einen Schritt verlagert haben, ein und dieselbe Stellung einnehmen. Durch eine solche Auftastung wird auf das Photoregistriergerät ein feststehendes 3ild projiziert, >\

welches visuell mit Hilfe" von Fernsehmitteln beobachtet, photographiert werden usw. Um eine größere Stabilität des zu beobachtenden Interferenzbildes zu gewährleisten, kann der Generator 32 elektrischer Impulse mit einem der Photodetektoren 9' oder 24' verbunden sein.

Die Piiasenmeßeinheit 10 ermöglicht die Ivlessung· der Phase eines elektrischen Signals innerhalb einer Periode, d.h. die des Bruchteils f des gesuchten Phasenwertes JjP . Dann gestatten alle oben beschriebenen Laserint erf er omet er es, die optische Länge einer vorgegebenen Strecke des Lichtwegs, die eine Lichtwellenlänge in einem Medium nicht übersteigt, das diese Strecke ausfüllt, und Änderungen der gesuchten optischen Länge in weiten Grenzen zu messen, wenn man den Änderungen der Phase un-

'■jcj unterbrochen folgt und das Vorwärts- und Rückwärtszählen von Phasenzyklen je nach dem Änderungsvorzeichen . der Phase vornimmt. «

Um die ganze Zahl D = int( ) der Wellenlängen innerhalb der vorgegebenen Strecke zu bestimmen, die zusammen mit dem gemessenen Bruchteil d nach der Beziehung (2) einen Gesamtwert der optischen Länge der vorgegebenen Strecke in einem weiten Bereich von^._mw ergibt, enthält das erfindungsgemäße Laserinterferometer einen Laser 4 mit durchstimmbar er Wellenlänge λ des emittierten Lichtes. Der Durchstiminbereich muß die Erzeugung eines Bündels kohärenten Lichtes mit Wellenlängen von /L bis /\_ sichern, während der relative Ab-

⁰ /t P
stiinciungsfehler Öi/Afür eine Wellenlänge A- den Wert

OP **

-~?~k— nicht übersteigen muß. Die gewünschten Wellenläng^max Λ-; äe? Laserstrahlung werden in diesem Fall hintereinander eingestellt und die Bruchteile f. des Phasenzyklus der Reihe nach gemessen.

3ei der Notwendigkeit, gleichzeitige Messungen von f. auf sämtlichen Wellenlängen A- durchzuführen, muß der Laser 4 die Möglichkeit haben, Licht aller genannten Wellenlängen A₀ ·«·· λ_Ό gleichzeitig auszustrahlen. Darüber hinaus enthält ein solcher Laser eine optische

Einheit 33 zur Teilung des Bündels interferierten Lichtes in i'eilbündel je nach Wellenlängen λ·, und auf

der optischen Achse jedes der Teilbündel ist das Hauptx-hot©registriergerät angeordnet, das einen photoelektrischer Wandler 9 und eine Phasenmeßeinheit 10, die an die Recheneinrichtung 12 (i'ig. 25) angeschlossen ist, enthält. Die Ivleßergebnisse der Bruchteile f. wer-

den in die Recheneinrichtung eingegeben, in der die Berechnung einer ganzen Zahl D von Lichtwellenlängen entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren, die in die vorgegebene Strecke des Lichtwegs hineingeht, und die die Summierung der Zahl D mit einem Bruchteil d nach der Formel (2) erfolgen, der ebenfalls von der Recheneinheit 12 aus dem Meßergebnis des Bruchteils f des Phasenzyklus, der der Wellenlänge A₀ entspricht, ermittelt wird.

Das zu patentierende Verfahren zur Messung der optischen länge einer vorgegebenen Strecke des Lichtwegs gestattet es, zum ersten Mal unmittelbar die optische Länge einer zwischen zwei reflektierenden Elementen vorgegebenen Strecke in der Realzeit unter Gewinnung von Ergebnissen in digitaler Form bei einer maximal einfachen sicheren Bauart, einer einfachen Einstellung und einer geringen Empfindlichkeit gegen rremde Einflüsse zu bestimmen.

: Das Verrahren eröffnet die Möglichkeiten für die Schaffung einer weitgehenden Klasse von digitalen Mehrstrahl-Laserinterferometern, die in der Realzeit betrieben werden und es gestatten, Aufgäben zur Messung ' ^von Entfernungen, Verschiebungen, einer optischen Dichte durchsichtiger Medien zu lösen, an der automatischen Steuerung von Prozessen teilzunehmen, bei denen die optischen Länge der vorgegebenen Strecke als Kontrollparameter dienen kann.

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Jurij Aleksandrovici Bliznjuk

Stanislav Konstantinovic* Standel DEAC-30707.3

25. Februar 1983

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER OPTISCHEN LÄNGE EINER LICHTWEGSTRECKE UND LASERINTERFEROMETER ZUR DURCHFÜHRUNG DIESES VERFAHRENS

PiTEIT AISPLtJCHE

f1.) Verfahren zur Messung der optischen Länge einer Lichtwegstrecke, bei dem man "ein kohärentes Lichtbündel (S) erzeugt, aus diesem eine Reihe interferierender Bündel formiert, wobei jedes nachfolgende interferierende Bündel so gebildet wird, daß ein Teil des Lichtes des vorhergehenden interferierenden Bündels abgesondert und der abgesonderte Lichtteil durch dieselbe Wegstrecke durchgelassen wird, die interferierenden Bündel miteinander vereinigt und ein erhaltenes Interferenzbild registriert, dadurch ge kennzeichnet, daß man das kohärente Lichtbündel mit zwei kollinearen Komponenten (I und II), die verschiedene unabhängige Polarisationen {&C und ß) aufweisen, erzeugt, die Lichtfrequenz (il> + Q ) der einen dieser Komponenten bezüglich der Lichtfrequenz (&0 der anderen Komponente verschiebt und bei der Bildung jedes nachfolgenden interferierenden Lichtbündeis aus dem vorhergehenden Lichtbündel in jedem Paar der Lichtkomponenten die Polarisation ( c>L ) der einen Kom-

ponente des Lichtes in die Polarisation (ß) der zwei-ten Komponente, die Polarisation (ß) der zweiten .Komponente aber in die Polarisation (^) der ersten Komponente umwandelt, bei der Vereinigung der interferierenden Bündel deren Licht in zwei Bündel mit den genannten unabhängigen Polarisationen ( qo und JB) aufteilt und bei der Registrierung des Interferenzbildes eine photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes jeder der zwei unabhängigen Polarisationen einzeln durchführt, worauf man die Phasen ( ψ ) der gewonnenen elektrischen Signale mißt, nach welchen

die optische Länge ( Q ) des Lichtwegs auf der angegebenen Strecke bestimmt wird.

2· Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man nach der erwähnten gegenseitigen Umwandlung der Polarisation (⁰^und ß) des Paars der Lichtkomponenten (I und II) das Licht mit einer der genannten Polarisationen unterdrückt, während man das interferierte Licht der anderen der genannten Polarisationen photoelektrisch umwandelt.

3· Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet, daß man zeitliche Änderungen der gemessenen Phasen (ψ) der »vechselstromanteile der gewonnenen elektrischen Signale registriert, nach welchen man Änderungen der optischen Länge (fr) des Lichtwegs in der z»eit (t) ermittelt·

4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man die photoelektrische Umwandlung des interferierten Lichtes in mindestens zwei Punkten des Interferenzbildes und daß nach den Ergebnissen der gemessenen Phase ( v|>) der in diesen Punkten erhaltenen elektrischen Signale die Verteilung der optischen Länge (a )

des Lichtweges in einem Querschnitt (ß) der interferierenden Bündel bestimmt wird.

5· Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß man Differenzen zwi-

υ:

sehen den Phasen ( tf ) der bei der photoelektrischen Umwandlung des interferierten Lichtes in verschiedenen Punkten des Interferenzbildes gewonnenen elektrischen Signale misst, nach welchen man Gradienten der optischen Länge ( $ ) des Lichtwegs im Querschnitt (β ) der interferierenden Bündel ermittelt.

6. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass man einen Phasenwert ( γ.# ) zumindest eines elektrischen Signals vorgibt, welchem mindestens ein bekannter Y/ert ( ο%. ) der optischen Länge des Lichtwegs entspricht, die optische Länge der angegebenen Strecke des Lichtwegs ändert und, wenn die zu messende Phase (^) des in mindestens einem Punkt ( P ) des Interferenzbildes erhaltenen Signals einen der vorgegebenen Phasenwerte (. ψ#) erreicht hat, den Wert (Λ α ) der erwähnten Änderung der optischen Länge der Lichtwegstrecke registriert, worauf man die gesuchte optische Länge ( 0 ) der vorgegebenen Strecke im betreffenden Punkt ( fi ) des Querschnitts der interferierenden Bündel ermittelt, indem man den registrierten Wert der Änderung ( Δ ü ) der optischen Länge vom bekannten 7/ert ( 0%) der optischen Länge des Lichtwegs subtrahiert.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche

1 bis 5j dadurch gekennzeichnet, dass man ein kohärentes Lichtbündel mit bekannter Wellenlänge ( A_Q) erzeugt und die Phasen ( lf_Q) der betreffenden elektrischen Signale misst, dann die Wellenlänge des kohärenten Lichtes ebenfalls um einen bekannten Betrag ( \·) wenigstens einmal ändert und die Phasen ( if .) der betreffenden elektrischen Signale wieder misst, worauf -aus dem Verhältnis zwischen den bei verschiedenen bekannten Lichtwellenlängen ( \ .) gemessenen Phasenwerten ( if .) über die optische Länge des'Lichtwegs bestimmt wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche

1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass man bei der Bildung des kohärenten Lichtbündels

Licht mit mindestens zwei bekannten Wellenlängen ( A^) erzeugt, eine photoelektrische Umwandlung der interferierten Lichtes jeder bekannten Wellenlänge ( λ .) im

einzelnen durchführt und die Phasen (^) der betrefft fenden elektrischen Signale mißt, worauf aus

dem Verhältnis zwischen den bei verschiedenen bekannten Lichtwellenlängen gemessenen Phasenwerten über die optische Länge (Ö ) des Lichtwegs bestimmt wird.

9* Laserinterferometer zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, mit einem Laser(4), mindestens zwei in Richtung des Lichtstrahls hintereinander angeordnetenreflektierendenElementeaCi) und (2), die zur Vorgabe einer Strecke des Lichtwegs, der Formierung und Vereinigung der interferierenden Lichtbündel dienen und mit einem Photoregistriergerät (8) für das zu erhaltende Interferenzbild, dadurch gekennzeichnet, daß das Interferometer eine Vorrichtung (5) zur Aussonderung zweier kollinearen Lichtkomponenten mit unabhängigen Polarisationen und eine Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz der einen Komponente gegen die andere, wobei die Vorrichtungen zwischen dem Laser (4) und den reflektierenden Elementen (1) und (2) angebracht sind, einen an die Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz angeschlossenen Steuergenerator (7)5 eine doppelbrechende, zwischen den reflektierenden Elementen (1) und (2) angeordnete Platte (3) und ein Polarisationselement (11) aufweist,das auf der optischen Achse des interferierten Lichtes vor dem Photoregistriergerät (8) angebracht ist, das aus einem photoelektrischen Wandler (9) des interferierten Lichtes und eine: an diesen Wandler angeschlossenenEinheit (10) zur Phasenmessung elektrischer Signale besteht.

10. Laserinterferometer nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung (5) zur Aussonderung der Lichtkomponen— ten solche mit zirkulären, entgegengesetzte Drehrich-

tungen des Vektors eines elektromagnetischen Feldes aufweisenden Polarisationen aussondert·

11, Laserinterferometer nach Anspruch 9, d a durch gekennzeichnet, daß es eine im Weg des interferierten lichtes vor dem Polarisationselement (11) angeordnete λ/4-Platte (13) enthält und daß die genannte Vorrichtung (5) Lichtkomponenten mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen aussondert·

12. Laserinterferometer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ein zwischen der Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz und den reflektierenden .Elementen (1) und (2) angeordnetes lichtteilendes Element (14) zur Abtrennung der von den reflektierenden Elementen (1) und (2) zurückgeworfenen interferierenden Lichtbündel enthält, hinter dem - in Eichtung des reflektierten interferierten Lichtes gesehen - das genannte Folarisationselement (11) und das genannte Photoregistriergerät (8) angeordnet sind.

13· Laserinterferometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Vorrichtung (5) zur Aussonderung von Lichtkomponenten solche mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen aussondert.

14. Laserinterferometer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß es eine im Weg des interferierten Lichtes vor dem Polarisationselement (11) angeordnete Λ/4-Platte (13) enthält, und daß die genannte Vorrichtung (5) Lichtkomponenten_%mit zirkulären, entgegengesetzte Drehrichtungen des Vektors eines elektrischen Feldes aufweisenden Polarisationen aussondert.

15· Laserinterferometer nach den Ansprüchen 10, '14, dad u:.r ch gekennzeichnet, daß als Laser (4), Vorrichtung (5) zur Aussonderung von Lichtkomponenten mit zirkulären Polarisationen und Vor-

richtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz der einen der ausgesonderten Lichtkomponenten ein Zweifrequenzlaser benutzt wird. '

16. Laserinterferomete.*? nach den Ansprüchen 11, 13» dadurch gekennzeichnet, daß die -Vorrichtung (5) zur Aussonderung von Lichtkomponenten mit linearen Polarisationen als Zweistrahl-Polarisationsinterferometer ausgebildet ist, in dessen einem Zweig sich die Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz befindet.

17· Laserinterferometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6) zur Verschiebung der I/ichtfrequenz ein eiektrooptischer Frequenzmodulator ist.

1Ö. Laserinterferometer nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (6) zur Verschiebung der Lichtfrequenz eic akusto-optiacher Frequenzmodulator ist.

19· Laserinterferometer nach den Ansprüchen 2, 14, dadurch gekennzeichnet, daß es einen zwischen den reflektierenden Elementen (1) und (2) hinter der doppelbrechenden Platte (3) angebrachten Polarisator (19) enthält,

20. Laserinterferometer nach einem der Ansprüche 9 "bis 14» dadurch gekennzeichnet, daß das genannte Polarisationselement (11) ein Polarisator ist.

21 · Laserinterferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Polarisationseleiiient (11) ein Polarisationslichtteiler (11*) zur Aufteilung des Lichtbündels in zwei Bündel mit linearen zueinander senkrechten Polarisationen ist, während das

.fhotoregistriergerät (8) aus zwei photoelektrischen, an die PhasenmeBeinheit (10) angeschlossenen Wandlern (9) besteht, von denen der erste V7and-

ler auf der optischen Achse eines der zwei aufgeteilten

Bündel und der zweite auf der optischen Achse des an-' deren aufgeteilten Bündels angeordnet ist.

22. Laserinterferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten aeflektierenden Elenente (1) und (2) im Abstand der vorgegebenen Strecke auf einer gleichen Achse gegenüberstehen, wobei die doppelbrechende Platte (3) eine Λ/4-Platte ist.

23· Laserinterferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elemente (1 ,

2) und (2"), deren Anzahl gleich wenigstens drei ist, in Ecken einer geschlossenen gebrochenen Linie angebracht sind, die eine vorgegebene Strecke des Lichtwegs darstellt·

24-· Laserinterferometer nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Platte eine ^/2-Platte ist.

25· Laserinterferometer nach den Ansprüchen 22, 24, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Elementen (1 , 2) und (2") als teilweise reflektierende Spiegelflächen ausgebildet sind·

26. Laserinterferometer nach den Ansprüchen 22, 23» dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der reflektierenden Elemente (1) und (2) ein Beugungsgitter (1'.·^;, .2') ist, das so angeordnet ist, daß die Achse des Lichtbündels einer der 3eugungsordnungen des erwähnten Gitters mit der Achse zusammenfällt, die die benachbarten reflektierenden Elemente verbindet,

27· Laserinterferometer nach Anspruch 23 in Kombination mit dem Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die doppelbrechende Platte (3) in der iJähe des Beugungsgitters angebracht ist und eine Differenz zwischen den Phasenverschiebungen der Lichtwellen in zwei nutzbaren Beugungsordnungen besitzt, welche gleich /Ί/4 ist.

28. Laser interferometer nach den Ansprüchen 26, 27, dadurch gekennzeichnet, daß die Beugungsgitter als Hologramme ausgeführt sind·

29- Laserinterferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 29» dadurch gekennzeichnet, daß es ein optisches System zur Verbreitung des Lichtbündeis enthält, das vor den reflektierenden Elementen (1) und (2) angeordnet ist.

30. Laserinterferometer nach den Ansprüchen 4 und 29, dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler (9) mit einer Einrichtung (21) zur Abtastung des Interferenzbildes versehen 1st. ;

31 · Laserinterf erometer nach Anspruch 29 zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß. es ein vor dem Photoregistriergerät (8) angebrachtes optisches lichtteilendes Element (22), durch das ein Teil des Lichtes der interferierenden .Bündel isoliert wird, und ein auf der optischen Achse des Bündels des isolierten Lichtteils angeordnetes zusätzliches Photoregistriergerät (23) aufweist.

32. Laserinterferometer nach einem der Ansprüche 9 bis 31, dadurch gekenn-

z e lehnet, daß der photoelektrische Wandler (9 » 24) ein einzelner Photodetektor ist.

33. Laserinterferometer nach Anspruch 4 und einem der Ansprüche 9 bis 31» dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler (9) in Form einer Matrix (26) ausgebildet ist, die aus mehreren Photodetektoren (9*) besteht, die über einen Umschalter (27) an die Phasenmeßeinheit (10) angeschlossen sind.

34. Laserinterferometer nach Anspruch 4 und einem · <*er Ansprüche 9 bis 31» dadurch gekennzeichnet, daß der photoelektrische Wandler (9 » 24) in Jb'orm einer Matrix (26 , 26') ausge-

bildet ist, die aus mehreren Photοdetektoren (9' ,24') besteht, von de-ften jeder an eine eigene Phasennießeinheit (9' , 25') angeschlossen ist,

35· Laserinterf erometer nach den Ansprüchen 4, 5 sowie nach Anspruch y\ in Kombination mit Anspruch

24, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Photodetektoren (24') des zusätzlichen Photoregistriergeräts (23) auch an wenigstens eine PhasenmeBeinheit (10') des Haupt-Photoregistriergeräts (8) angeschlossen ist.

36. Laserinterferometer nach den Ansprüchen 4, 9, dadurch g ekennze ichnet, daß es eine Vorrichtung (29) zur Parallelverschiebung des Lichtbündels gegen sich selbst in zwei zueinander senkrechten Richtungen enthält, die vor den reflektierenden Elementen (1) und (2) angeordnet ist.

37· Laserinterferometer nach Anspruch 30 ^^η Kombination mit dem Anspruch 36» dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (29) zur Parallelverschiebung des Lichtbündels mit der Einrichtung (21) zur Abtastung des Interferenzbildes verbunden ist·

38. Laserinterf erometer nach Anspruch 33 in Kombination mit dem Anspruch 36, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (29) zur Parallelverschiebung des Lichx;bündeis mit dem Umschalter (27) verbunden ist·

39. Laser interferometer nach den Ansprüchen 6 und 34, dadurch gekennzeichnet, daß es mindestens, eine zwischen den. j?erlelrcierenden Elementen (1 , .2) angeordnete Vorrichtung (15) zur Inderung der optischen Länge der Strecke des Lichtwegs, die mit einem Geber (16) für die Änderung der optischen Lange der Lichtwegstrecke versehen ist, eine Einheit (17) zur Vorgabe der den bekannten Werten der optischen Länge des Lichtwegs entsprechenden Phasenwerte, eine Phasenvergleichseinheit (18), deren Ein-

gänge jeweils an die Einheit (17) zur Vorgabe von Fhasenwerten und an mindestens eine eigene HiasenmeBeinheit (10') und deren Ausgang an mindestens eine genannte Vorrichtung (15) zur Änderung der optischen Länge der Strecke des Lichtvvegs angeschlossen sind, sowie eine Recheneinrichtung (12), die mit· dem Meßgeber (16) für die optische Länge der Lichtwegstrecke und mit der Einheit (17) zur Vorgabe von Phasenwerten verbunden ist, aufweist.

40. Laserinterferometer nach Anspruch 31» dadurch gekennzeichnet,' daß es einen vor dem zusätzlichen ihotoregistriergerät (23) angeordneten Lichtintensitätsmodulator (31) und einen mit diesem verbundenen Generator (32)für elektrische Impulse aufweist, wobei das zusätzliche Interferenzbild-Photoregistriergerät (23) als ßildregistrierer ausgeführt ist.

41. Laserinterferometer nach Anspruch 40, dadurch gekennzeichnet, daß der Generator (32) für elektrische Impulse mit dem Steuergenerator (7) verbunden und mit diesem in der Impulsfolgefrequenz synchronisiert ist.

42. Laserinterferometer nach den Ansprüchen 7_t 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (4) eine durchstimmbare Wellenlänge besitzt.

43· Laserinterferometer nach den Ansprüchen 8, 9» dadurchgekennzeich.net, daß es eine optische Einheit (33) zur Teilung des Bündels interferierten Lichtes in Teilbündel je nach der 'Wellenlänge enthält, die in Richtung des Bündels des interferierten Lichtes hinter^dem Polarisationselement (11) angeordnet ist, und daß auf der optischen Achse jedes der genannten Teilbündel ein eigenes Interferenzbild-Fhotoregistriergerät (ö) angeordnet ist, während der Laser (4) IQ Licht mit mindestens zwei bekannten Wellenlängen emittiert·