-
Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines
Laserstrahles, mit der eine Differenzfrequenzstabilisierung ermöglicht ist. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung eine interferometrische Meßanordnung
mit einer solchen Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahles
und die Verwendung der interferometrischen Meßanordnung zur Vermessung von
Oberflächen.
-
Bei
interferometrischen Meßverfahren
wird die Welleneigenschaft von kohärentem Licht zur Vermessung
von Oberflächen
aus der Bestimmung unterschiedlicher Lichtlaufzeiten ausgenutzt.
So lassen sich durch Interferenzeffekte z. B. Oberflächenverläufe mit
einer Genauigkeit unterhalb der eingesetzten Wellenlänge bestimmen.
Im Bereich der optischen Meßtechnik
bedeutet dies eine Genauigkeit deutlich unterhalb eines Mikrometers
bis hin in den Nanometerbereich.
-
Allerdings
ist mit der erreichbaren hohen Genauigkeit interferometrischer Meßverfahren
ein geringer Eineindeutigkeitsbereich verknüpft, da die Meßverfahren
auf einer relativen Phasenlage zweier Lichtwellen (Meßstrahl
und Referenzstrahl) beruhen und deren Eindeutigkeitsbereich damit
auf die Wellenlänge
des verwendeten Lichtes (Phasenlagen von +π bis –π) beschränkt ist.
-
Folglich
erfordert eine Bestimmung absoluter Entfernungen zusätzlichen
Aufwand. Ein möglicher Ansatz
zur Bestimmung absoluter Entfernungen ist das sukzessive oder gleichzeitige
Messen mit mehreren Wellenlängen,
wobei zwei Messungen mit unterschiedlichen Wellenlängen I1
und I2 als eine Messung mit einer „synthetischen” Wellenlänge L L = (I1·I2)/(I1 – I2) (1)interpretiert
werden können.
-
Eine
Messung mit einer möglichst
großen synthetischen
Wellenlänge
kann daher durch zwei spektral nahe beieinander liegende, schmalbandige Lichtquellen
der Wellenlängen
I1 und I2 erreicht werden, deren Differenz (I1 – I2) allerdings möglichst konstant
bleiben soll, um eine zeitlich unveränderliche synthetische Wellenlänge L zu
gewährleisten.
-
Hierfür könnten Laserlichtquellen
verwendet werden, die gleichzeitig zwei Lasermoden unterschiedlicher
Polarisation emittieren. So beschreibt die
US 5,586,131 A für Anwendungen
in der Telekommunikation einen Halbleiterlaser auf der Basis eines
Wellenleiters mit integrierten diffraktiven Strukturen, der je nach
Strom in einer von zwei möglichen Lasermoden
unterschiedlicher Frequenz und Polarisation emittiert. Eine Veränderung
der Differenzfrequenz zwischen den beiden möglichen Lasermoden besteht
nicht.
-
Ebenfalls
bekannt sind Laserlichtquellen, bei denen ein Beugungsgitter in
der sogenannten Littrow-Konfiguration einen externen Resonator bildet (siehe
z. B. die Druckschriften
DE
689 12 656 T2 und
US 2006/0233205 A1 ). Durch Drehung des Beugungsgitters
kann die Resonanzfrequenz und somit die Wellenlänge des erzeugten Laserstrahls
verändert
werden. Eine Verstärkung
von genau zwei Lasermoden mit unterschiedlicher Wellenlänge ist
mit dieser Konfiguration aber nicht möglich.
-
Verfahren
zur Herstellung von optischen Beugungsgittern, auch solchen mit
räumlich
variablen Gitterperioden, sind beispielsweise aus der Druckschrift
EP 1 605 288 A1 bekannt.
-
Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur
Erzeugung eines Laserstrahles anzugeben, mit der zumindest zwei
Wellenlängen
I1 und I2 auf einfache Weise erzeugbar sind und bei der eine Stabilisierung
der Differenzfrequenz (I1 – I2)
ermöglicht
ist.
-
Die
vorliegende Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Vorrichtung zur
Erzeugung eines Laserstrahls mit einem laseraktiven Medium und einem
externen Resonator, wobei der Resonator ein Polarisationsgitter
(Beugungsgitter) aufweist, das aus einer Überlagerung von genau zwei
Ortsfrequenzen besteht, zur Erzeugung zweier kollinearer, unterschiedlicher
Laserstrahlen orthogonaler Polarisation.
-
Bei
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Erzeugung eines Laserstrahles erfolgt die Differenzfrequenzstabilisierung
durch das Polarisationsgitter (Beugungsgitter).
-
Vorzugsweise
ist ein relativer Einfallswinkel der vom laseraktiven Medium abgegebenen
Photonen auf das Polarisationsgitter (Beugungsgitter) einstellbar,
wodurch eine einfache Einstellung der Differenzfrequenz in einem
besonders weiten Bereich ermöglicht
ist.
-
Vorzugsweise
ist das Polarisationsgitter (Beugungsgitter) drehbar gelagert.
-
Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist der Resonator weiterhin eine Viertelwellenplatte auf, die
im Strahlengang zwischen laseraktivem Medium und Beugungsgitter
angeordnet ist. Durch die Viertelwellenplatte werden rückgekoppelte
(vorliegend zirkulare) Wellen in horizontal bzw. vertikal polarisierte
Strahlung im laseraktiven Medium transferiert. Hierbei ist zu bevorzugen,
wenn das laseraktive Medium beide Polarisationen gleichermaßen verstärken kann,
damit beide Moden nebeneinander emittiert werden. Eine solche Ausbildung
ist insbesondere bei Gaslasern (z. B. Helium-Neonlasern), bei diodengepumpten
Festkörperlasern
(z. B. Nd:YAG) und vertikal emittierenden Halbleiterlasern (VCSEL)
vorteilhaft.
-
Gemäß einem
weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist das Polarisationsgitter einen zweikomponentigen ortsabhängigen Brechungsindexvektor n →(x),
auf der die Brechzahl des Gittermaterials für zwei orthogonal linear polarisierte
elektromagnetische Wellen beschreibt und damit den Brechungsindexellipsoid,
der sich durch folgende Formel beschreiben lässt: n →(x)= [A1sin(2πw1x
+ p1), A1cos(2πw1x
+ p1)] + [A2sin(2πw2x
+ p2), A2cos(2πw2x
+ p2)], (2)wobei
w1 und w2 die Liniendichten der beiden Ortsfrequenzen sind, A1 und
A2 die Amplituden der jeweiligen Ortsfrequenzen wiedergeben, p1
und p2 die Phasen der Ortsfrequenzen beschreiben und die Differenz
(p1 – p2)
die Lage des (willkürlich
wählbaren) Nullpunktes
angibt.
-
Mit
der vorliegenden Vorrichtung Erzeugung eines Laserstrahles sind
zwei Laserstrahlen mit unterschiedlicher Wellenlänge erzeugbar, so dass diese in
besonders vorteilhafter Weise in einer interferometrischen Messanordnung
einsetzbar sind, mit der Oberflächen
durch Bestimmung einer relativen Phasenlage zwischen den erzeugten
Laserstrahlen mittels Interferenz derselben vermessen werden können.
-
Die
vorliegende Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele
in Verbindung mit den zugehörigen
Figuren näher
beschrieben. In diesen zeigen:
-
1 ein
Ausführungsbeispiel
der Vorrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahles mit laseraktivem
Medium und externem Resonator aus Beugungsgitter, Viertelwellenplatte
und Spiegel,
-
2 ein
Beugungsbild des vorliegenden Polarisationsgitters (Beugungsgitters)
und
-
3 ein
Beugungsbild für
eine Rückkopplung
in das laseraktive Medium, bei dem der aus dem Lasermedium emittierte
Strahl 4a und die jeweiligen minus ersten Beugungsordnungen 7 und 8 kolinear sind.
-
Der
in 1 gezeigte externe Resonator weist ein Beugungsgitter
(Polarisationsgitter) 5 und ein Viertelwellenplättchen 2b auf,
welche auf einer Seite eines laseraktiven Mediums 1 angeordnet
sind. Das Beugungsgitter 5 ist senkrecht zur Lichtausbreitungsrichtung
drehbar angeordnet. Auf der dem Beugungsgitter 5 und Viertelwellenplättchen 2b gegenüber liegenden
Seite des laseraktiven Mediums 1 ist zudem ein Spiegel 2a angeordnet.
-
Vorliegend
wird die erfindungsgemäße Aufgabe
also durch ein Lasermedium 1 mit einem externen Resonator 2 gelöst, wobei
der externe Resonator 2 ausschließlich die gewünschten
Frequenzen I1 und I2 in zwei orthogonalen Polarisationszuständen zurück in die
Laserdiode koppelt und wobei der externe Resonator 2 in
der sogenannten Littrow-Anordnung durch ein drehbares Polarisationsgitter 5 realisiert
ist.
-
Mit
dieser Anordnung von Beugungsgitter 5, Viertelwellenplättchen 2b und
Spiegel 2a als externem Resonator vor einem laseraktiven
Medium 1 sind daher zwei kollineare, unterschiedliche Laserstrahlen 3 orthogonaler
Polarisation erzeugbar.
-
Im
Unterschied zur bekannten Littrow-Anordnung, die auf einem einfachen
Gitter bzw. einem „blazed
grating” beruht
und eine einzige Ortsfrequenz ins laseraktive Medium rückkoppelt,
beinhaltet die hier beschriebene Anordnung ein solches Polarisationsgitter 5,
das aus der Überlagerung
von genau zwei Ortsfrequenzen besteht.
-
Diese
beiden Ortsfrequenzen sind derart beschaffen, dass diese vorliegend
entgegengesetzte Händigkeit
besitzen, d. h. die von ihnen erzeugten Fernfeldbeugungsbilder liegen
nahezu (aber nicht exakt) symmetrisch zur null-ten Beugungsordnung, was
durch die spezifische Eigenschaft von Polarisationsgittern ohne
weiteres realisierbar ist.
-
Bei
diesem Ausführungsbeispiel
lässt sich das
vorliegende Polarisationsgitter im Detail beschreiben durch einen
ortsabhängigen
Vektor, der die Lage z. B. der langen Achse des Brechungsindexellipsoids
des Polarisationsgitters angibt. Dieser lässt sich beschreiben durch
einen 2-komponentigen Vektor n ⇀(x), der durch folgende Formel wiedergegeben
werden kann: n →(x) = [A1sin(2πw1 x + p1), A1cos(2πw1x + p1)]
+ [A2sin(2πw2x
+ p2), A2cos(2πw2x
+ p2)],wobei w1 und w2 für
die Liniendichte der beiden Ortsfrequenzen stehen und wobei A1 und
A2 für
die Amplituden der jeweiligen Ortsfrequenzen stehen.
-
Durch
eine Wahl des Vorzeichens der Liniendichten w1 und w2 der beiden
Ortsfrequenzen lässt sich
die Händigkeit
der beiden Beugungsordnungen einstellen, so entspricht es sign(w1)
= sign(w2) gleicher Händigkeit.
-
Die
in vorgenannter Formel angegebenen Phasen p1 und p2 der Ortsfrequenzen
haben in diesem Zusammenhang keine besondere Bedeutung. Physikalisch
betrachtet gibt eine Differenz der Phasen (p1–p2) die willkürlich wählbare Lage
des Nullpunktes an.
-
Durch
das Polarisationsgitter 5 der vorgenannten Art wird das
in 2 gezeigte Beugungsbild erzeugt. Genauer wird
durch das spezielle Polarisationsgitter 5 aus dem einfallenden
Strahl 4a ein Strahl null-ter Beugungsordnung 4b,
zwei Strahlen erster Beugungsordnung 6, 9 und
zwei Strahlen minus erster Ordnung 7, 8 erzeugt.
-
Der
Strahl null-ter Beugungsordnung 4b weist die gleiche Polarisation
auf wie der einfallende Strahl 4a.
-
Der
Strahl erster Beugungsordnung der tieferen Ortsfrequenz 6 weist
eine definierte Händigkeit, im
Folgenden linkshändige
Polarisation LHP auf.
-
Darüber hinaus
weist der Strahl erster Beugungsordnung der zweiten Ortsfrequenz 7 aufgrund der
oben beschriebenen Beschaffenheit des Polarisationsgitters 5 eine
Händigkeit
entgegengesetzt zur Händigkeit
des Strahles der ersten Ordnung der ersten tieferen Ortsfrequenz
auf. Im Folgenden wird die Händigkeit
der ersten Ordnung der zweiten höheren Ortsfrequenz 7 als
rechtshändige
Polarisation RHP bezeichnet.
-
Für eine Rückkopplung
in das laseraktive Medium sind der aus dem Lasermedium emittierte Strahl 4a und
die jeweiligen minus ersten Beugungsordnungen 7 und 8 kolinear.
Dieser Fall ist in 3 dargestellt. Der Winkel a
in den folgenden Gleichungen, der zwischen einfallendem Strahl 4a und
der Flächennormalen 10 des
Polarisationsgitters 5 vorliegt, ist durch Nummer 11 gekennzeichnet.
-
Die
zur Rückkopplung
verwendeten minus ersten Ordnungen 7, 8 der beiden
Ortsfrequenzen besitzen dann entgegengesetzte Händigkeiten, so dass im laseraktiven
Medium 1 zwei orthogonal polarisierte Lasermoden anschwingen
können,
deren Wellenlängen über die
folgenden Bedingungen gegeben sind: I1
= sin(2a)/(2w1) (3a) I2 = sin(2a)/(2w2) (3b)definiert
ist, wobei „a” einen
relativen Auftreffwinkel der Photonen auf das Beugungsgitter (gemessen
an der Normalen auf dem Beugungsgitter) angibt.
-
Für die synthetische
Wellenlänge
L ergibt sich aus vorgenannten Gleichungen (1) und (3a, b): L = sin(2a)/[2(w2 – w1)]
-
Somit
lässt sich
aufgrund einer Veränderung des
relativen Auftreffwinkels auf das Gitter die synthetische Wellenlänge kontinuierlich
variieren.
-
Damit
das Lasermedium zwei Moden unterschiedlicher Polarisation synchron
und mit gleicher Intensität
emittiert, kann es von Vorteil sein, die Amplituden A1 und A2 des
Polarisationsgitters 5 derart zu wählen, dass das Medium zu gleich
starker Emission der Photonen stimuliert wird. Je nach dem individuellen
Verstärkungsprofil
des Mediums kann dies bedeuten, dass unterschiedliche Amplituden
A1 und A2 zu erwählen
sind.
-
Die
Berechnung des Polarisationsgitters kann analytisch nach Gleichung
(2) erfolgen. Alternativ dazu kann das Polarisationsgitter auch
mit den bekannten Methoden zur Berechnung von Computer generierten
Hologrammen bestimmt werden, wie z. B. iterative Fourier-Transformationsalgorithmus
oder Simulated annealing.
-
Die
Herstellung der Polarisationsgitter erfolgt nach den bekannten Methoden
der Polarisationsholografie, wie z. B. Generierung von Sub-Wellenlängen-Gittern
oder Verwendung doppelbrechender Materialien (z. B. Kunststoffe,
Kristalle). Als Herstellungsmethoden sind die bekannten Methoden
der Halbleiterfertigung, wie z. B. Masken-, Elektronenstrahl- oder
Interferenzlithographie, oder Methoden der Materialbearbeitung denkbar,
wie zum Beispiel Laserablation, direktes optisches Schreiben in
photoaddressierbare Polymere oder Ultrapräzisionsbearbeitung.
-
Wenn
die kleinsten noch aufgelösten
Strukturen des Polarisationsgitters die Größe d haben und das Polarisationsgitter
eine Kantenlänge
von X hat, kann es als Beugungsgitter aufgefasst werden, das sich
aus N×N
Pixeln zusammensetzt, mit: N = X/d
-
Die
Ortsfrequenzen w1 und w2, die zur größtmöglichen virtuellen Wellenlänge führen, sind dann
gegeben durch: w1 = 2N/[(N + 4)d] w2 = 2/d
-
Die
resultierende größtmögliche synthetische
Wellenlänge
beträgt
dann für
hinreichend große N: L = Xsin(2a)/16
-
Für typische
Abmessungen z. B. X = 10 mm und a = 45° können damit synthetische Wellenlängen bis
zu 625 μm
generiert werden.
-
Es
kann bei bestimmten Anwendungen auch von Vorteil sein, wenn die
Wellenlängen
I1 und I2 mit unterschiedlicher Intensität emittiert werden – auch dies
kann durch eine entsprechende Wahl von A1 und A2 erzielt werden.
-
Durch
eine Wahl des Polarisationsgitters 5 als Überlagerung
von zwei Ortsfrequenzen mit gleicher Händigkeit wiederum lässt sich
bewerkstelligen, dass zwei Moden mit gleicher Polarität emittiert
werden, was bei bestimmten Anwendungen ebenfalls von Vorteil sein
kann.
-
Der
Vorteil der vorliegenden Anordnung liegt im besonders großen Durchstimmbereich
der synthetischen Wellenlänge
L. Insbesondere ist der Durchstimmbereich nicht auf einen freien
Spektralbereich des eingesetzten externen Laserresonators begrenzt.
Insbesondere bei Verwendung des drehbaren Polarisationsgitters kann
eine Durchstimmbarkeit von I1 und I2 über einen breiten Bereich auf
einfache Art erreicht werden.