Absolutinterferometrie mit zwei Diodenlasern unter Nutzung der synthetischen Wellenlänge
Final Report Abstract
Die optische Messung absoluter Distanzen erfolgt häufig durch Laser- Entfernungsmessgeräte, deren Messunsicherheit durch die mögliche Zeit- bzw. Phasenauflösung auf >10 μm begrenzt ist. Dagegen messen klassische Interferometer relative Verschiebungen eines Messreflektors, erzielen jedoch eine um mindestens drei Größenordnungen bessere Auflösung. Interferometer können auch für die absolute Distanzmessung genutzt werden, indem z.B. die Wellenlänge des Lasers periodisch moduliert wird und die Phasenänderung des Interferometersignals gemessen wird. Derartige Absolutinterferometer liegen von der Messunsicherheit her mit >1 μm/m zwischen den Laser-Entfernungsmessgeräten und klassischen Interferometern. Die Grundidee des Vorhabens war es, ein zweistufig arbeitenden Absolutinterferometer zu entwickeln, das mit geringem Mehraufwand eine Unsicherheit <1μm/m erreicht. Dazu wurde ein Michelson-Interferometer mit zwei Diodenlasern aufgebaut. Beide Laser können modulationsfrei auf eine Doppler-reduzierte D1- bzw. D2-Absorptionslinie von Kalium stabilisiert werden. Einer der beiden Laser lässt sich in seiner Emissionsfrequenz um ca. 100 GHz modensprungfrei abstimmen. Damit wird ein zweistufiges Messverfahren ermöglicht: Zunächst wird die zu messende Länge grob aus der gemessenen Phasenänderung während des Abstimmens des modulierten Lasers bestimmt. Während dieser Messung auftretende störende Vibrationen des Messreflektors werden mit dem zweiten, ständig auf die D1-Linie stabilisierten Laser erfasst und korrigiert. Im zweiten Schritt wird dieser Laser auf eine D2-Absorptionlinie stabilisiert. Beide stabilisierten Laser stellen so eine synthetische Wellenlänge L von ca. 173 μm zur Verfügung. Während das Ergebnis der Grobmessung die ganzzahlige Interferenzordnung der synthetischen Wellenlänge bestimmt, wird dieses Ergebnis im zweiten Schritt innerhalb eines Bereiches von L/2 weiter interpoliert. Vergleichsmessungen mit einem HeNe-Laserinterferometer zeigten eine Messabweichung des Absolutinterferometers von 0,5 μm + 0.5 μm/m bis zu einer Länge von 20 m. Eine mögliche Anwendung des Absolutinterferometers wäre ein Einsatz in einem Lasertracker. Hierzu ist geplant, ein Absolutinterferometer für Längen bis zu 100 m mit einer Kombination aus einem HeNe-Laser und einem Diodenlaser mit benachbarter Wellenlänge zu entwickeln, das das Jodabsorptionsspektrum zur Frequenzstabilisierung nutzt.
Publications
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K. Meiners-Hagen, A. Abou-Zeid, and L. Hartmann, "Absolute distance interferometry using diode lasers", Proc. SPIE Vol. 7133, 713339 (Jan. 12, 2009)
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L. Hartmann, K. Meiners-Hagen and A. Abou-Zeid, "An absolute distance interferometer with two external cavity diode lasers", Meas. Sci. Technol. 19 (2008) 045307
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L. Hartmann, K. Meiners-Hagen, A. Abou-Zeid, "Absolute Distance Interferometry using two Diode Lasers", Proc. 7th euspen Int. Conf. (Bremen), ed. E. Thornet, S. 73¿76 (2007)
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L. Hartmann, V. Burgarth, K. Meiners-Hagen, and A. Abou-Zeid, "Distance measurement by absolute interferometry using tunable diode lasers", MAPAN - Journal of Metrology Society of India 22, 21-26 (2007)
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Lutz Hartmann, Karl Meiners-Hagen, Ahmed Abou-Zeid, "Distance measurement by absolute interferometry using two diode lasers", Sensoren und Messsysteme 2006: Vorträge der 13. ITG/GMA-Fachtagung vom 13. bis 14.3.2006 in Freiburg/Breisgau: (2006), S: 253 - 256.
