DE19727402A1

DE19727402A1 - Überlagerungsverfahren und Vorrichtung zur Messung des Brechungsindex von Luft unter Benutzung der Mehrfach-Interferometrie

Info

Publication number: DE19727402A1
Application number: DE19727402A
Authority: DE
Inventors: Henry Allen Hill; Peter De Groot
Original assignee: Zygo Corp
Current assignee: Zygo Corp
Priority date: 1996-08-20
Filing date: 1997-06-27
Publication date: 1998-02-26
Also published as: KR20000068090A; DE69723709T2; US5838485A; KR100322938B1; DE69723709D1; JP3273500B2; JPH1090176A

Description

Technisches Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf optische In strumente zur Messung des Abstands und des Brechungsindex. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine inter ferometrische Abstandsmessung unabhängig von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases im Meßpfad.

Hintergrund und Stand der Technik

Ein häufig in der Metrologie anzutreffendes Problem ist die Messung des Brechungsindex einer Luftsäule. Es gibt die verschiedensten Techniken zur Messung des Brechungsindex unter genau kontrollierten Umständen, wenn beispielsweise die Luftsäule in einer Probenzelle angeordnet und im Hin blick auf Temperatur, Druck und physikalische Abmessung überwacht wird. In diesem Zusammenhang wird beispielsweise auf den Artikel "An air refractometer for interference length metrology" von J. Terrien in: Metrologia 1(3), 80-83 (1965), verwiesen.

Vielleicht die schwierigste Messung, die sich auf den Bre chungsindex von Luft bezieht, ist die Messung von Index fluktuationen über einem Meßpfad unbekannter oder variabler Länge, wo Temperatur und Druck nicht gesteuert sind. Der artige Umstände treten häufig in geophysikalischen und meteorologischen Überwachungsvorrichtungen auf, wo die Atmosphäre offensichtlich unkontrolliert ist und der Bre chungsindex sich dramatisch infolge von Änderungen der Luftdichte und Luftzusammensetzung verändern kann. Dieses Problem ist in dem folgenden Artikel diskutiert: "Effects of the atmospheric phase fluctuation on longdistance measurement" von H. Matsumoto und K. Tsukahara in: Appl. Opt. 23(19), 3388-3394 (1984), sowie in dem Artikel "Optical path length fluctuation in the atmosphere" von G. N. Gibson et al. in: Appl. Opt. 23(23), 4383-4389 (1984).

Ein weiteres Beispiel der Messung des Brechungsindex von Luft ist die hochpräzise Abstandsmessungs-Interferometrie, wie diese für mikrolithographische Herstellung integrierter Schaltungen benutzt wird. In diesem Zusammenhang wird auf den folgenden Artikel Bezug genommen: "Residual errors in laser interferometry from air turbulence and non-linearity" von N. Bobroff in: Appl. Opt. 26(13), 2676-2682 (1987), sowie auf den Artikel "Recent advances in displacement measuring interferometry" von N. Bobroff in: Measurement science & tech. 4(9), 907-926 (1993). Im typischen Fall liegt die Korrektur des Brechungsindex für Indexfluktuationen in der Größenordnung von 0,1 ppm (parts per million) und muß eine Ge nauigkeit von 0,005 ppm haben. Diese hohen Präzisions erfordernisse benötigen frequenzstabilisierte Laserquellen und eine hochauflösende Phasendetektion.

Es gibt häufig Referenzen im Stande der Technik im Hinblick auf heterodyne Verfahren der Phasenabschätzung, bei denen die Phase sich zeitlich auf nicht kontrollierbare Weise ändert. Beispielsweise sendet bei einem bekannten Über lagerungs-Entfernungsmeß-Interferometer die Quelle zwei orthogonal polarisierte Strahlen aus, die etwas unter schiedliche optische Frequenzen (beispielsweise 2 MHz) aufweisen. Der interferometrische Empfänger besteht in diesem Fall aus einem linearen Polarisator und einem Photo detektor, um das sich zeitlich ändernde Interferenzsignal zu messen. Das Signal schwingt mit der Schwebungsfrequenz, und die Phase des Signals entspricht der relativen Phasen differenz.

Ein weiteres repräsentatives Beispiel des Stan des der Technik bei der Überlagerungs-Distanzmeß-Inter ferometrie findet sich in der US-A-4 688 940. Diese be kannten Ausbildungen der interferometrischen Metrologie sind beschränkt auf Fluktuationen im Brechungsindex und in sich ungeeignet für die nächste Generation mikrolitho graphischer Instrumente.

Eine weitere bekannte Form eines Interferometers zur Ab standsmessung ist in der US-A-4 005 936 beschrieben. Das Verfahren besteht darin, Laserstrahlen mit zwei unter schiedlichen Wellenlängen zu benutzen, von denen jeder in zwei Teile aufgespalten wird. In den einen Teil der je weiligen Strahlen wird eine Frequenzverschiebung einge führt. Ein Teil eines jeden Strahls wird von einem Gegen stand reflektiert und mit dem anderen Teil auf einem Photo detektor wieder kombiniert, um ein Interferenzsignal zu er zeugen. Aus dem Interferenzsignal des Detektors wird eine Differenzfrequenz abgeleitet, deren Phase ein Maß für den Abstand nach der Oberfläche ist. Die äquivalente Wellenlänge der Phase, die der Differenzfrequenz zugeordnet ist, ist gleich dem Produkt von den beiden Laserwellenlängen geteilt durch die Differenz der beiden Wellenlängen. Diese Zwei-Wellenlängen- Technik vermindert Meßfehler, aber sie ist wenigstens ebenso empfindlich gegenüber störenden Effekten von Indexfluktuationen der Luft wie die Einzel-Wellenlängen-Technik.

Ein weiteres Beispiel eines Zwei-Wellenlängen-Interferometers gemäß der obengenannten US-PS 4 005 936 ist in der US-A- 4 907 886 beschrieben. Dieses System ist auch in dem fol genden Artikel veröffentlicht: "Two-wavelength laser interferometry using superheterodyne detection" von R. Dändliker, R. Thalmann und D. Prongue in: Opt. Let. 13(5), 339-341 (1988), und weiter in dem Artikel "High-accuracy distance measurements with multiple-wavelength interfero metry" von R. Dändliker, K. Hug, J. Politch und E. Zimmer mann. Das System von Dändliker et al., wie dies in der US-A-4 907 886 beschrieben ist, benutzt Laserstrahlen mit zwei Wellenlängen, wobei jeder Strahl zwei Polarisations komponenten aufweist, die in ihrer Frequenz durch eine akusto-optische Modulation getrennt sind. Nachdem diese Strahlen colinear durch ein Michelson-Interferometer hin durchgetreten sind, werden die Polarisationskomponenten gemischt, was zu einem Überlagerungssignal führt, wobei das Überlagerungssignal eine unterschiedliche Frequenz für jede der beiden Wellenlängen besitzt, und daraus resultiert ein sogenanntes Super-Heterodyne-Signal mit einer Frequenz gleich der Differenz der Überlagerungsfrequenzen und eine Phase, die einer äquivalenten Wellenlänge zugeordnet ist, die gleich ist dem Produkt der beiden Laserwellenlängen dividiert durch die Differenz der beiden Wellenlängen. Gemäß der US-A-4 907 886 wird angenommen, daß die Phase des super-heterodynen Signals nur von der Lage eines Meßobjek tes und der äquivalenten Wellenlänge abhängt. Daher ist dieses System auch nicht geeignet zur Messung oder Kom pensation von Fluktuationen im Brechungsindex der Luft.

Weitere Beispiele der Zwei-Wellenlängen-Überlagerungs- Technik finden sich in einem Artikel unter der Bezeichnung "Two-wavelength double heterodyne interferometry using a matched grating technique" von Z. Sodnik, E. Fischer, T. Ittner und H. J. Tiziani in: Appl. Opt. 30(22), 3139-3144 (1991), und in einem Artikel unter dem Titel "Diode laser and fiber optics for dual-wavelength heterodyne interfero metry" von S. Manhart und R. Maurer in: SPIE 1319, 214-216 (1990). Keines dieser Beispiele ist jedoch auf das Problem der Indexfluktuationen gerichtet.

Aus dem vorstehenden kann geschlossen werden, daß der Stand der Technik auf dem Gebiet der heterodynen und superheterodynen Interferometrie kein befriedigendes Verfahren und keine Mittel zur Messung und Kompensation der Fluktuation des Brechungs index der Luft aufzeigt. Dieser Mangel beim Stande der Technik führt zu einer beträchtlichen Meßungewißheit, wo durch die Präzision der Systeme schwerwiegend beeinträch tigt wird, die derartige Interferometer beispielsweise bei der mikrolithographischen Herstellung integrierter Schalt kreise benutzen. Infolgedessen werden zukünftige Interferometer notwendigerweise ein erfindungsgemäßes neues Verfahren und Mit tel aufweisen müssen, um Fluktuationen des Brechungsindex zu messen und zu kompensieren.

Eine bekannte Möglichkeit, um Indexfluktuationen festzustellen, ist die Messung von Druckänderungen und Temperaturänderungen längs des Meßweges und die Berechnung ihrer Auswirkung auf den Brechungsindex des Pfades. Mathematische Gleichungen zur Durchführung dieser Berechnung sind allgemein bekannt in einem Artikel unter der Bezeichnung "The refractivity of air" von F. E. Jones in: J. Res. NBS 86(1), 27-32 (1981), beschrieben. Eine Weiterentwicklung der Technik ist in einem Artikel unter der Bezeichnung "High-accuracy displacement inter ferometry in air" von W. T. Estler in: Appl. Opt. 24(6), 808-815 (1985), beschrieben. Leider liefert diese Technik nur angenäherte Werte und ist mühsam in der Anwendung, und es werden nur langsame globale Fluktuationen in der Luft dichte korrigiert.

Eine weitere mehr direkte Möglichkeit zur Feststellung von Indexfluktuationen über einen Pfad ist die Mehrfach-Wellen längen-Distanzmessung. Das Grundprinzip ist das folgende: Interferometer und Laser-Radarmessungen der optischen Pfad länge zwischen einem Bezugspunkt und einem Gegenstand er folgen oft in der offenen Luft. Die optische Pfadlänge ist das integrierte Produkt des Brechungsindex und des physi kalischen Pfades, der vom Meßstrahl durchlaufen wird. Inso fern ändert sich der Brechungsindex mit der Wellenlänge, aber die physikalische Pfadlänge ist unabhängig von der Wellenlänge. Daher ist es allgemein möglich, die physi kalische Pfadlänge von den Fluktuationen im Brechungsindex zu trennen, vorausgesetzt, daß das Instrument wenigstens zwei Wellenlängen benutzt. Die Änderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge ist als Dispersion bekannt, und daher wird diese Technik im folgenden als Dispersionstechnik bezeichnet.

Die Dispersionstechnik zur Indexmessung hat eine lange Geschichte und liegt vor der Einführung des Laser. In einem Artikel "Long-path interferometry through an uncontrolled atmosphere" von K. E. Erickson in: J. Opt. Soc. Am. 52(7), 781-787 (1962), werden die Grundprinzipien beschrieben, und er liefert eine Analyse der Möglichkeit dieser Technik für geophysikalische Messungen. Weitere theoretische Vorschläge finden sich in einem Artikel "Correction of optical distance measurements for the fluctuating atmospheric index of refraction" von P. L. Bender und J. C. Owens in: J. Geo. Res. 70(10), 2461-2462 (1965).

Kommerzielle Distanzmeßvorrichtungen auf Laser-Radar-Basis mit Dispersionstechnik zur Indexkompensation erschienen in den siebziger Jahren. Ein Artikel "Two-laser optical distance-measuring instrument that corrects for the atmo spheric index of refraction" von K. B. Earnshaw und E. N. Hernandez in: Appl. Opt. 11(4), 749-754 (1972), beschreibt ein Instrument, welches durch Mikrowellen modulierte HeNe- und HeCd-Laser verwendet, die über einen Meßpfad von 5 bis 10 km arbeiten. Weitere Einzelheiten dieses Instruments finden sich in einem Artikel "Field Tests of a two-laser (4416A and 6328A) optical distance-measuring instrument correcting for the atmospheric index of refraction" von E. N. Hernandez und K. B. Earnshaw in: J. Geo. Res. 77(35), 6994-6998 (1972). Weitere Beispiele von Anwendungen der Dispersionstechnik sind in einem Artikel diskutiert, der wie folgt lautet: "Distance corrections for single- and dual-color lasers by ray tracing" von E. Berg und J. A. Carter in: J. Geo. Res. 85(B11), 6513-6520 (1980), und in einem Artikel mit der Bezeichnung "A multi-wavelength distance-measuring instrument for geophysical experiments" von L. E. Slater und G. R. Huggett in: J. Geo. Res. 81(35), 6299-6306 (1976).

Obgleich die Instrumente für geophysikalische Messungen im typischen Fall ein intensitätsmoduliertes Laser-Radar be nutzen, ist es klar, daß die optische Interferenzphasen detektion für kürzere Entfernungen zweckmäßiger ist. In der US-A-3 647 302 mit der Bezeichnung "Apparatus for and method of obtaining precision dimensional measurements" ist ein bekanntes interferometrisches Versetzungsmeßsystem be schrieben, welches Mehrfach-Wellenlängen benutzt, um Änderun gen der Umgebungsbedingungen wie Temperatur, Feuchtigkeit und Druck zu kompensieren. Das bekannte Instrument ist speziell zur Arbeitsweise in Verbindung mit einem beweglichen Objekt ausgebildet, d. h. mit einer veränderlichen Physikalischen Pfadlänge. Diese bekannte Phasendetektion ist jedoch un zulänglich genau für hochpräzise Messungen.

Ein moderneres und detailliertes Beispiel ist das System, das von Y. Zhu, H. Matsumoto und T. Ohshi in einem Artikel beschrieben wird unter dem Titel "Long-arm two-color interferometer for measuring the change of air refractive index" in: SPIE 1319. Optics in complex Systems, 538-539 (1990). Das System benutzt einen 1064 nm-Wellenlängen-YAG- Laser und einen 632 nm-HeNe-Laser zusammen mit einer Gegen- Phasendetektion. Im wesentlichen das gesamte Instrument wurde in Japanisch in einem früheren Artikel von Zhu et al. beschrieben mit dem Titel "Measurement of atmospheric Phase and intensity turbulence for long-path distance interferometer". Proc. 3rd meeting on lightwave sensing technology, in: Appl. Phys. Soc. of Japan, 39 (1989). Jedoch besitzt das Interferometer von Zhu et al. eine unzureichende Auflösung für alle Anwendungen, d. h. eine Sub-Mikron-Interferometrie für Mikrolithographie.

Ein neuerer Versuch einer hochpräzisen Interferometrie für die Mikrolithographie findet sich in der US-PS 4 948 254 von A. Ishida. Eine ähnliche Vorrichtung wird von Ishida in einem Artikel beschrieben "Two wavelength dis placement-measuring interferometer using Second-harmonic light to eliminate air-turbulence-induced errors" in: Jpn. J. Appl. Phys. 28(3), L473-475 (1989). In dem Artikel wird ein eine Versetzung messendes Interferometer beschrieben, welches die Fehler eliminiert, die durch Fluktuationen im Brechungsindex verursacht wurden, und zwar erfolgt dies durch eine Zwei-Wellenlängen-Dispersionsdetektion. Ein Ar⁺-Laser liefert beide Wellenlängen gleichzeitig über einen Frequenzverdopplerkristall, welcher allgemein als BBO bezeichnet wird. Die Benutzung eines BBO-Verdopplungskri stalls resultiert in zwei Wellenlängen, die grundsätzlich phasenstarr sind. Dadurch wird die Stabilität und die Ge nauigkeit der Brechungsindexmessung beträchtlich verbessert. Die Phasendetektormittel, die einfache homodyne Gegen phasendetektion benutzen, sind jedoch unzureichend für hochauflösende Phasenmessungen. Außerdem sind die Mittel zur Phasendetektion und zur Signalverarbeitung nicht für dynamische Messungen geeignet, bei denen die Bewegung des Gegenstandes zu rapiden Veränderungen der Phase führt, die schwierig genau festzustellen sind.

In der US-PS 5 404 222 ist unter dem Titel "Interfero metric measuring system with air turbulence compensation" ein weiterer bekannter Stand der Technik in Form eines Zwei- Wellenlängen-Interferometers beschrieben, das die Dispersions technik benutzt, um Indexfluktuationen festzustellen und zu kompensieren. Eine ähnliche Vorrichtung wird von S. A. Lis in einem Artikel beschrieben "An air turbulence compensated interferometer for IC manufacturing" in: SPIE 2440 (1995). Eine Verbesserung des US-Patents 5 404 222 findet sich in der US-PS 5 537 209. Die prinzipielle Neuerung dieses Systems gegenüber jenem, das von Ishida in Jpn. J. Appl. Phys. (oben erwähnt) vorgeschlagen wurde, ist der Zusatz eines weiteren BBO-Verdopplungskristalls, um die Präzision des Phasendetek tors zu verbessern. Das zusätzliche BBO-Kristall macht es mög lich, optisch zwei Strahlen zur Interferenz zu bringen, deren Wellenlängen genau um einen Faktor von Zwei unterschieden sind. Die resultierende Interferenz besitzt eine Phase, die direkt abhängig ist vom Brechungsindex, die aber im we sentlichen unabhängig ist von der Bewegung. Das von Lis vorgeschlagene System hat jedoch den Nachteil, daß es kom pliziert aufgebaut ist und ein zusätzliches BBO-Kristall für jeden Meßpfad erfordert. In der Mikrolithographie sind häufig sechs oder mehr Meßpfade erforderlich, und jenes BBO kann mehr als $ 12 000 kosten, so daß die zusätzlichen Kristalle einen bedeutenden zusätzlichen Kostenaufwand erfordern. Ein weiterer Nachteil des Lis-Systems besteht darin, daß es ein langsames (32 Hz) Phasendetektorsystem benutzt, das auf der physikalischen Versetzung eines PZT-Wand lers beruht.

Aus den obigen Ausführungen wird klar, daß im Stande der Technik kein praktikables Verfahren hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision mit entsprechenden Mitteln vorhanden ist, um Fluktuationen im Brechungsindex von Luft zu messen und zu kompensieren. Die Beschränkungen im Stande der Tech nik beruhen prinzipiell auf den folgenden ungelösten tech nischen Schwierigkeiten: (1) Bekannte heterodyne und super heterodyne Interferometer sind in ihrer Genauigkeit durch Fluktuationen im Brechungsindex von Luft begrenzt; (2) be kannte Dispersionstechniken zur Messung von Indexfluktua tionen erfordern eine extrem hohe Genauigkeit in der Inter ferenzphasenmessung, die im typischen Fall eine Größen ordnung der typischen Genauigkeit von hochpräzisen Ent fernungsmeß-Interferometern übersteigt; (3) naheliegende Modifikationen bekannter Interferometer zum Zwecke der Verbesserung der Phasenmeßgenauigkeit würden die Meßzeit auf eine Dauer erhöhen, die nicht kompatibel ist mit der Schnelligkeit der Bewegung in einer modernen mikrolitho graphischen Ausrüstung; (4) die bekannte Dispersionstechnik erfordert wenigstens zwei extrem stabile Laserquellen, oder eine einzige Quelle, die mehrere phasenstarre Wellenlängen abstrahlt; (5) bekannte Dispersionstechniken in der An wendung der Mikrolithographie sind empfindlich gegenüber einer Bewegung während der Messung, was zu Systemfehlern führt; (6) bekannte Dispersionstechniken, die Verdopplungs kristalle (beispielsweise US-PS 5 404 222) als Teil des Detektorsystems benutzen, sind kostspielig und kompliziert.

Diese Schwierigkeiten im Stande der Technik haben zu einem Fehlen irgendeines praktischen interferometrischen Systems geführt, das eine Versetzungsmessung für die Mikrolitho graphie in Gegenwart von Indexfluktuationen ermöglicht.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Fluktuationen im Bre chungsindex eines Gases in einem Meßpfad geschaffen, bei spielsweise für Zwecke der Distanzmessungs-Interferometrie, unabhängig von den Fluktuationen, und gemäß der Erfindung sind folgende Teile vorgesehen: (1) eine Quelle von wenig stens zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellen längen, wobei die Wellenlängen eine bekannte angenäherte harmonische Beziehung zueinander oder zu einer gemeinsamen Bezugswellenlänge haben; (2) Mittel zur Einführung einer Frequenzdifferenz zwischen die beiden orthogonal polari sierten Zustände eines jeden Lichtstrahls, wobei die Fre quenzdifferenz für wenigstens zwei Strahlen unterschiedlich ist; (3) optische Mittel zur Ausrichtung sämtlicher Licht strahlen in einen einzigen Strahl, so daß sie im wesentlichen kollinear sind und einen im wesentlichen gleichen Durch messer längs des Meßpfades aufweisen; (4) optische Mittel zur Erzeugung von phasenverschobenen Strahlen durch Einführung einer Phasenverschiebung zwischen den Polarisationszuständen von jedem der Lichtstrahlen, wobei die Größe der Phasenverschie bungen proportional zum Produkt der physikalischen Länge des Meßpfades und der Brechungsindices des Gases im Meßpfad ist und die Brechungsindice eine Funktion der Wellenlänge und unterschiedlich für jeden phasenverschobenen Strahl ist; (5) Mittel, vorzugsweise in Gestalt eines Polarisators, zur Mischung der Polarisationskomponenten eines jeden phasenver schobenen Lichtstrahls zur Erzeugung von zwei oder mehreren gemischten Ausgangsstrahlen; (6) Mittel, vorzugsweise in Gestalt eines photoelektrischen Detektors, um heterodyne elektrische Signale von den Intensitäten der gemischten Ausgangsstrahlen zu erlangen, wobei die heterodynen elektrischen Signale durch Schwingungen bei heterodynen Frequenzen charakterisiert sind, bezogen auf die Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Lichtstrahlen, wobei die hetero dynen elektrischen Signale außerdem durch heterodyne Phasen gekennzeichnet sind; (7) Mittel, vorzugsweise elektroni scher Art, zur Verarbeitung der heterodynen elektrischen Sig nale zur Erzeugung modifizierter heterodyner Signale, gekenn zeichnet durch modifizierte heterodyne Phasen, die harmonisch auf die heterodynen Phasen bezogen sind; (8) Mittel, vorzugs weise elektronischer Art, zur Mischung von je zwei der modi fizierten heterodynen elektrischen Signale zur Erzeugung wenigstens eines superheterodynen elektrischen Signals, be stehend aus einem amplitudenmodulierten Träger mit einer super heterodynen Modulationsfrequenz gleich der Hälfte der Diffe renz der beiden entsprechenden modifizierten heterodynen Fre quenzen und eine superheterodyne Modulationsphase gleich der halben Differenz zwischen zwei entsprechenden modifizierten heterodynen Phasen und (9) Mittel, vorzugsweise elektroni scher Art, zur Analyse der superheterodynen Modulationsphase zur Bestimmung der Fluktuationen im Brechungsindex des Gases über den Meßpfad.

Die Hauptvorteile der Erfindung können wie folgt zusammen gefaßt werden: Wenn die Quellen der Wellenlängen im wesent lichen harmonisch aufeinander bezogen sind, und die modifi zierten heterodynen Phasenverschiebungen in gleicher Weise harmonisch aufeinander bezogen sind, dann schafft die Erfin dung eine superheterodyne Modulationsphase, die im wesentli chen unempfindlich gegenüber einer Stufenbewegung ist. Diese superheterodyne Modulationsphase ist ein direktes Maß der Fluktuationen des Brechungsindex von Luft. Da die superhetero dyne Modulationsfrequenz auf irgendeinen zweckmäßigen Wert eingestellt werden kann, kann die Phasenmeßgenauigkeit zur Kompensation von Indexfluktuationen in gleicher Weise ver bessert werden. Diese Verbesserungen gegenüber dem Stande der Technik werden erreicht ohne teuere optische Komponenten, beispielsweise Verdopplungskristalie oder dergleichen, und ohne irgendeine Beschränkung hinsichtlich der Schnelligkeit der Bewegung.

Ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung umfaßt die Möglichkeit der Kompensation unerwünschter Fluktua tionen in der Wellenlängenquelle, wobei zusätzliche Moni tor-Interferometer benutzt werden und im wesentlichen die gleiche elektronische Verarbeitungsvorrichtung, wie sie im Primärgerät Anwendung fand. Das Monitor-Interferometer besitzt vorzugsweise eine feste Monitor-Pfadlänge mit einem sorgfältig gesteuerten Brechungsindex, so daß alle ge messenen Änderungen im Monitor beitragen und eine Messung der Wellenlängenstabilisierung liefern.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

In der Zeichnung bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente.

Fig. 1 zeigt ein Schaltbild einer bevorzugten Aus führungsform der vorliegenden Erfindung,

Fig. 2 ist eine graphische Darstellung, die ein Schwebungssignal darstellt,

Fig. 3 zeigt ein Blockschaltbild der Verarbeitungs elektronik,

Fig. 4 ist ein Schaltbild einer abgewandelten Aus führungsform der Erfindung.

Einzelbeschreibung der Ausführungsbeispiele

Fig. 1 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines Gases innerhalb eines Meßpfades 66, und eine derartige Vorrichtung ist zweckmäßig zur Messung der Versetzung eines Gegenstandes 67, unabhängig von der artigen Fluktuationen.

Gemäß einem bevorzugten Verfahren nach der Erfindung durch läuft ein Lichtstrahl 11, der von einer Quelle 1 emittiert wird, einen Modulator 2, der durch einen Treiber 3 erregt wird. Die Quelle 1 ist vorzugsweise ein Laser oder eine ähnliche Quelle kohärenter Strahlung, die vorzugsweise polarisiert ist, und der Strahl besitzt eine Wellenlänge λ₁. Der Modulator 2 kann beispielsweise ein akusto optischer Wandler sein, oder eine Kombination eines akusto optischen Wandlers mit einer zusätzlichen Optik zur selek tiven Modulation der Polarisationskomponenten des Strahls 11. Der Modulator 2 verschiebt die Oszillationsfrequenz einer linearen Polarisationskomponente des Strahls 11 um einen Betrag f₁ gegenüber einer orthogonalen linearen Polarisationskomponente, wobei die Polarisationskomponenten hierbei mit x bzw. y bezeichnet sind. Demgemäß besitzt nach Durchlaufen des Modulators 2 die x-Polarisationskomponente des Strahls 11 eine Oszillationsfrequenz, die um den Betrag f₁ gegenüber der y-Polarisationskomponente des Strahls 11 nach oben verschoben ist.

In einem nächsten Schritt durchläuft ein Strahl 12, der von einer Quelle 4 emittiert ist, einen Modulator 5, der durch einen Treiber 6 erregt wird, ähnlich dem Modulator 2 bzw. dem Treiber 3. Die Quelle 4 ist ebenso wie die Quelle 1 vorzugsweise ein Laser oder eine ähnliche Quelle polari sierter kohärenter Strahlung, aber vorzugsweise mit einer unterschiedlichen Wellenlänge λ₂, die eine bekannte annähernde harmonische Beziehung gegenüber der Wellenlänge λ₂ hat, das heißt:

p₁λ₂ ≈ p₂λ₁
für
p₁, p₂ = 2, 3 . . ., p₁ ≠ p₂ (1)

Nach Durchlaufen des Modulators 5 besitzt die x-Polari sationskomponente des Strahls 12 eine Oszillationsfrequenz, die um einen Betrag 12 gegenüber der Polarisationskomponente des Strahls 12 nach oben verschoben ist.

Für den Fachmann ist es klar, daß die Strahlen 11 und 12 alternativ von einer einzigen Laserquelle geliefert werden können, die mehr als eine Wellenlänge emittiert, oder durch einen einzigen Laser, der mit einer optischen Frequenz verdopplungsvorrichtung versehen ist, oder durch irgendeine äquivalente Strahlungskonfiguration, die in der Lage ist, Lichtstrahlen mit zwei oder mehr Wellenlängen zu erzeugen. Es ist außerdem für den Fachmann klar, daß eine oder beide Frequenzverschiebungen f₁, f₂ das Ergebnis einer Zee man-Aufspaltung oder einer ähnlichen Phänomencharakteristik der Laserquellen selbst sein können.

In einem nächsten Schritt werden die Strahlen 11 und 12 durch ein optisches Element 9, vorzugsweise durch einen nicht pola risierenden Strahlteiler, zu einem Teststrahl 13 kombiniert. In einem weiteren Schritt breitet sich der Teststrahl 13 nach einem Interferometer 60 aus, das aus optischen Mitteln besteht, um eine Phasenverschiebung ϕ₁ zwischen die x- und y- Polarisationskomponenten des Strahls 13 einzuführen, entsprechend der Wellenlänge λ₁, und eine Phasen verschiebung ϕ₂ zwischen den x- und y-Polarisations komponenten des Strahls 13, entsprechend der Wellen länge λ₂. Die Größen der Phasenverschiebungen ϕ₁, ϕ₂ sind auf eine runde physikalische Länge L des Meß pfades 66 gemäß der folgenden Formel bezogen:

ϕ₁ = Lk_jn_j + ζ_j für j = 1, 2 (2)

wobei die Wellennummern k_j gegeben sind durch

k_j = 2π/λ_j (3)

und die Brechungsindices n_j des Gasmeßpfades 66 den Wellenlängen λ_j entsprechen. Die Phasenversetzungen ζ_j enthalten alle Bestandteile der Phasenverschiebungen ϕ₁, die nicht auf den Meßpfad 66 bezogen sind.

Wie in Fig. 1 dargestellt, und wie dies zu bevorzugen ist, weist das Interferometer 60 einen Bezugsspiegel 65, eine Viertelwellenplatte 21, eine Viertelwellenplatte 22, einen Polarisierungsstrahlspalter 23 und den Gegenstand 67 auf. Diese Konfiguration ist im Stand der Technik bekannt als polarisiertes Michelson-Interferometer und ist als einfache Illustration dargestellt. Ein Winkelkompensations-Inter ferometer oder eine ähnliche Vorrichtung, wie diese in einem Artikel "Differential interferometer arrangements for distance and angle measurements: Principles, advantages and applications" von C. Zanoni in: VDI Berichte Nr. 749, S. 93, 1989, beschrieben ist, wird vorzugsweise in die Vorrichtung nach der Erfindung eingebaut, wenn mit Ent wicklungsabschnitten gearbeitet wird, die in der mikro lithographischen Fabrikation integrierter Schaltungen an zutreffen sind. Andere Formen von Interferometern, wie sie in dem obengenannten Artikel "Differential interferometer arrangements for distance and angle measurements: Prin ciples, advantages and applications" von C. Zanoni in: VDI Berichte Nr. 749, S. 93, 1989, beschrieben sind, können in der erfindungsgemäßen Vorrichtung gemäß Fig. 1 eingebaut werden, ohne wesentlich von der Idee der vorliegenden Er findung abzuweichen.

Nach Durchlaufen des Interferometers 60 wird aus dem Teststrahl 13 ein phasenverschobener Strahl 15, der durch einen Polari sator 44 hindurchtritt, welcher vorzugsweise so orientiert ist, daß die Polarisationskomponenten x und y des Strahls 15 vermischt werden. Ein herkömmlicher dichroitischer Strahl teiler 80 trennt vorzugsweise jene Abschnitte des Strahls 15, die die Wellenlängen λ₁ und λ₂ enthalten, in zwei Strahlen 16 bzw. 17. Diese Strahlen 16, 17 treffen dann auf Photodetektoren 45 bzw. 46, was zu zwei heterodynen Inter ferenzsignalen s₁, s₂ führt, die den beiden Wellenlängen λ₁, λ₂ entsprechen und die folgende Form haben:

s_j = cos(α_j(t)) für j = 1, 2 (4)

Dabei sind die zeitabhängigen Argumente α₁(t), α₂(t) der heterodynen Interferenzsignale s₁, s₂ gegeben durch:

α_j(t) = 2πf_jt + ϕ₁ (5)

und die Signalamplitude hat sich zu Eins normalisiert, und alle konstanten Versetzungswerte wurden durch elektronische Vorbehandlungsmittel (nicht dargestellt) ausgefiltert. Die Überlagerungs-Interferenzsignale s₁, s₂ werden der elektronischen Verarbeitungsvorrichtung 98 zur Analyse zugeführt.

Nunmehr wird auf Fig. 3 Bezug genommen. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt vorzugsweise Mittel 981 zur elektronischen Multiplikation der beiden zeitabhängigen Argumente α₁(t), α₂(t) der heterodynen Interferenz signale s₁, s₂ mit dem Koeffizienten p₁, p₂, um so zwei modifizierte heterodyne Signale ₁, ₂ zu schaffen, die die folgende mathematische Form besitzt:

₁ = cos (p_jα_j(t)) für j = 1, 2 (6)

Diese Multiplikation kann durch irgendeine herkömmliche Fre quenz-Multiplikationstechnik durchgeführt werden, wie sie auf diesem Gebiet bekannt ist, beispielsweise eine Quadrie rung der Signale, gefolgt durch elektronische Filterung. Es ist für den Fachmann klar, daß derartige elektronische Multi plikationstechniken Versetzungen und Modifikationen der Signal stärke einführen können, die bei der vereinfachten Be schreibung der Analysetechnik vorliegender Erfindung vernach lässigt werden können. Es ist wichtig festzustellen, daß die Koeffizienten p₁, p₂ vorzugsweise identisch den in glei cher Weise benoteten Koeffizienten p₁, p₂ sind, die be nutzt werden, um die annähernd harmonische Beziehung in der Gleichung (1) zu definieren.

Nunmehr wird wiederum auf Fig. 3 Bezug genommen. Die elektro nische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt vorzugsweise Mittel 982 zur elektronischen Addition von zwei modifizierten hetero dynen Signalen ₁, ₂, die zusammen ein superheterodynes Signal S erzeugen, das die folgende mathematische Form besitzt:

S = ₁ + ₂ (7)

Dies kann geschrieben werden als

S = 2MC (8)

wobei

c = cos(2πvt + ϑ) (9)

M = cos(2πFt + Φ) (10)

und

Das superheterodyne Signal S ist deshalb ein Trägersignal C der Frequenz v, moduliert durch ein Umhüllungssignal M der Frequenz F. Für den Fachmann ist es klar, daß dann, wenn die heterodynen Signale ₁, ₂ eine unterschiedliche Amplitude haben, der resultierende mathematische Ausdruck komplizierter wird, aber nichtsdestoweniger in Ausdrücken eines Trägersignals geschrieben werden kann, das durch ein Umhüllungssignal modu liert ist. Zur Vereinfachung der vorliegenden Offenbarung wird angenommen, daß die modifizierten heterodynen Signale ₁, ₂ die gleiche Amplitude besitzen.

Nunmehr wird weiter auf Fig. 3 Bezug genommen. Die elektroni sche Verarbeitungsvorrichtung 98 weist vorzugsweise Mittel 983 auf, um das Umhüllungssignal M vom Trägersignal C zu trennen, und zwar unter Benutzung einer Gleichrichtung und Filterung, einer Signalquadrierung oder irgendeiner gleich artigen Technik, um eine Amplitudenmodulation zu extrahieren und einen Träger zu demodulieren. Die elektronische Verar beitungsvorrichtung 98 umfaßt außerdem Mittel 985, um die Modulationsphase Φ zu bestimmen, und zwar unter Benutzung einer herkömmlichen, auf der Zeit basierenden Phasendetektion oder dergleichen. Die elektronische Verarbeitungsvorrichtung 98 umfaßt außerdem Mittel 986 und Mittel 987, um die Phasen ϕ₁ bzw. ϕ₂ zu bestimmen.

Im nächsten Schritt überträgt die Verarbeitungsvorrichtung 98 die Werte der Modulationsphase Φ und Phasenverschiebungen ϕ₁, ϕ₂ entweder in digitaler oder analoger Form einem Computer 99. Der Computer 99 berechnet die Trägerphase ϑ und berechnet den Brechungsindex unter Benutzung der folgenden Formel:

wobei

Die oben definierte Konstante Γ ist ein Maß der Dispersion des Brechungsindex der Luft. Wenn beispielsweise λ₁ = 0,63 µm und λ₂ = 0,33 µm ist, dann wird Γ = 24. Der Versetzungsfaktor Q wird definiert als:

Q = Kξ - Z (18)

wobei

ξ = ½(p₁ ζ₁+ p₂ζ₂) (19)

Z = ½(p₁ζ₁ - p₂ζ₂) (20)

Für das gegenwärtig bevorzugte Ausführungsbeispiel der Erfin dung wird Q als konstant betrachtet, oder wird durch rein elektronische Mittel (nicht dargestellt) überwacht.

Die Größen K und , die in die Gleichungen (15) bzw. (16) eingeführt wurden, werden als vakuum-superheterodyne Wellen nummern bzw. als Vakuumträgerwellennummern bezeichnet. Diese Terminologie folgt logisch aus den folgenden Zwei-Phasen- Gleichungen, die gültig sind, wenn n₁ = n₂ = 1:

ϑ = L + ξ (21)

Φ = KL + Z (22)

Aus dem gleichen Grunde werden die Größen ξ und Z, die in die Gleichungen (19), (20) eingeführt wurden, als Vakuum trägerphasenversetzung bzw. Vakuum-Superheterodyn-Phasenver setzung bezeichnet.

In einer Endstufe für solche Anwendungen, die sich auf Distanz meß-Interferometrie beziehen, kann der berechnete Wert des Brechungsindex n₁ zusammen mit der Phasenverschiebung ϕ₁ benutzt werden, um den Abstand L unabhängig von Fluktuationen des Brechungsindex n₁ zu bestimmen, und zwar unter Benutzung der folgenden Formel:

Für den Fachmann ist es ebenfalls klar, daß ähnliche Berech nungen in bezug auf n₂ durchgeführt werden können anstelle von n₁ oder zusätzlich zu n₁.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfin dung wurde in den vorherigen Abschnitten beschrieben. Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Vorteile werden deut licher aus der folgenden Diskussion. Aus der Berechnung des Brechungsindex n₁ unter Benutzung der obigen Gleichung wird evident, daß die erforderlichen Genauigkeiten der Träger phase ϑ und der superheterodynen Phase Φ auf den Wert der Trägerwellenzahl und der superheterodynen Wellenzahl K be zogen sind. Da die Frequenz F des Modulationssignals M sehr viel kleiner sein kann als die Frequenz v des Trägersignals C, und da es allgemein einfacher ist, die Phase mit hoher Auflö sung eines elektronischen Signals kleinerer Frequenz zu be rechnen, ist es allgemein vorteilhafter, sich auf eine hoch genaue Messung der superheterodynen Modulationsphase Φ zu verlassen. Dies kann in der erfindungsgemäßen Vorrichtung leicht geschehen, wenn die Wellenlängen λ₁, λ₂ annä hernd harmonisch bezogen sind, wie dies oben in der ersten Gleichung angegeben ist. Für den Grenzfall, wo λ₁, λ₂ ganzzahlige Vielfache voneinander sind, d. h. für den Grenz fall, wo

p₁λ₂ = p₂λ₁
für
p₁, p₂ = 2,3 . . . , p₁ ≠ p₂ (24)

ist, wird die vakuum-superheterodyne Wellennummer K gleich Null, und die Brechungsindexberechnung braucht die Trägerphase ϑ nicht mit einzubeziehen, wie dies durch den folgenden Ausdruck belegt ist:

Weiter ist für den Fall, wo K = 0, die superheterodyne Modula tionsphase Φ auch nur schwach abhängig vom Abstand L im Ge gensatz zu der sehr strengen Abhängigkeit der Trägerphase ϑ und der Phasenverschiebungen ϕ₁, ϕ₂. Hierdurch wird die Phasendetektionsgenauigkeit zur Bewegung der Gegenstände in hohem Maße verbessert, wie dies allgemein bei einer mikrolitho graphischen Einrichtung erforderlich ist.

Eine wichtige Betrachtung im Hinblick auf die Interferometrie allgemein und die Dispersionstechnik insbesondere ist die Wellen längeninstabilität der Quelle. Die Vorrichtung gemäß der vor liegenden Erfindung schafft eine zweckmäßige Möglichkeit der Kompensation der Wellenlängeninstabilität wie folgt. Durch mathematische Manipulation der Gleichung (13) ist es möglich zu zeigen, daß ein Fehler δn₁ im Brechungsindex, der zur Quell wellenlängeninstabilität beiträgt, gegeben ist durch:

δn₁ ≈ A δK (26)

Dabei ist δk die Instabilität der vakuum-superheterodynen Wellenzahl K. Diese Formel zeigt, daß die Größe des Feh lers im wesentlichen unabhängig ist von dem Objektabstand L und daß sämtliche anderen Variablen, wie die Phasenverschie bungen ϕ₁, ϕ₂ direkt von der Gegenstandsentfernung L abhängen. Es ist daher möglich, die Wirkungen der Wellenlängen stabilität durch Messung des Brechungsindex längs des Monitor pfades zu kompensieren, der völlig frei ist von wirklichen Fluktuationen im Brechungsindex. Alle gemessenen Veränderun gen sind das Ergebnis der Wellenlängeninstabilität.

Nunmehr wird auf Fig. 4 Bezug genommen, wo ein abwandeltes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung dargestellt ist, wobei ein Monitorsystem 60b dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 hinzugefügt wurde, um einen Fehler δn₁ in der Brechungsindexmessung zu kompensieren, der von der Wellen längeninstabilität der Quelle abhängt. Ein Strahlteiler 70 und ein Spiegel 71 reflektieren einen Teil des Strahls 13 nach dem Monitorsystem 60b. Das Monitorsystem 60b umfaßt eine Zahl von Elementen, die analoge Operationen durchführen, die das Interferometer 60, und zwar mit Elementen, die die gleichen Operationen wie die Elemente des Interferometers 60 durchfüh ren, wobei der Zusatz "b" verwendet wird, wenn sich auf Ele mente des Monitorsystems 60b bezogen wird. Ein elektronisches Monitorverarbeitungssystem 98b führt in gleicher Weise Operatio nen wie das elektronische Verarbeitungssystem 98 durch. Der Unterschied zwischen dem Interferometer 60 und dem Monitorsystem 60b besteht darin, daß der Monitorpfad 66b des Monitorsystems 60b vorzugsweise eine feste Länge besitzt, und zwar mit einem sorgfältig gesteuerten Brechungsindex, wie dieser erlangt wer den kann, indem der Monitorpfad 66b eingeschlossen und Tempe ratur und Druck des eingeschlossenen Volumens kontrolliert werden. Da der Brechungsindex längs des Monitorpfades 66b im wesentlichen konstant ist, tragen alle gemessenen Änderungen δn_M im Monitorsystem zur Wellenlängeninstabilität der Quelle bei. Bei diesem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung berechnet der Computer 99 vorzugsweise den Brechungsindex n₁ nach der folgenden Formel:

Diese bevorzugte Kompensationstechnik der vorliegenden Erfin dung vermindert in hohem Maße die Erfordernisse der Wellenlän genstabilität für die Quelle. Es ist insbesondere festzustellen, daß die vorliegende Erfindung keine absolute Wellenlängenstabi lität erfordert und ein Monitorpfad 66b nicht eine außerordent lich stabile physikalische Länge L erfordert.

Die Vorteile der vorliegenden Erfindung sind die folgenden:
(1) Die vorliegende Erfindung bewirkt eine genaue Messung und eine Kompensation von Fluktuationen im Brechungsindex von Luft, so wie es zweckmäßig ist für eine Distanzmeß-Interferometrie; (2) die vorliegende Erfindung ist kompatibel mit der schnellen Stufenbewegung, die modernen mikrolithographischen Einrichtun gen eigen sind; (3) die vorliegende Erfindung umfaßt außerdem leicht einzubauende Monitormittel und ein Verfahren, durch das die Stabilitätserfordernisse der Quelle wesentlich herabge setzt werden; und (4) die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist beträchtlich weniger kompliziert und kostspielig gegenüber vergleichbaren bekannten Anordnungen.

Es ist für den Fachmann klar, daß eine abgewandelte Daten verarbeitung benutzt werden kann, ohne vom Rahmen der Erfin dung abzuweichen. Beispielsweise kann es sich als nützlich erweisen, modifizierte heterodyne Signale ₁, ₂ zu multiplizieren, statt diese zu addieren, wie dies oben vor geschlagen wurde, was zu dem Ausdruck führt:

S′ = ₁, ₂ (28)

Das alternative Signal S′ kann erzeugt werden, indem der ge eignete Wert im binomischen Ausdruck von (s₁ + s₂)^p+q durch Benutzung einer phasenempfindlichen Detektion gewählt wird. Statt dessen könnte das Signal S′ aus der Summe statt aus dem Produkt von zwei Signalen bestehen, die die Frequenzen F und v haben. Eine derartige Verarbeitungstechnik würde bei spielsweise vorteilhaft sein, wenn es sich als nützlich er wiese, die Detektoren 45, 46 und den dichroitischen Strahl teiler 80 in Fig. 1 durch einen einzigen Detektor zu ersetzen.

Es ist weiter für den Fachmann klar, daß alternative zusätzliche optische Elemente und elektronische Verarbeitungsschritte bei einem der beschriebenen Ausführungsbeispiele des erfindungsge mäßen Gerätes benutzt werden können. Beispielsweise können zusätzliche Detektoren und zugeordnete Elemente den Ausführungs beispielen hinzugefügt werden, um die verschiedenen Phasenver setzungen, die bei der Datenverarbeitung auftreten, zu messen und zu kompensieren. Diese und andere naheliegende Modifikatio nen können eingeführt werden, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung von Fluktuationen im Brechungsindex eines in einem Meßpfad befindlichen Gases mit den folgenden Merkmalen: eine Quelle von wenigstens zwei Lichtstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen und einer im wesentlichen harmonischen Beziehung, wobei diese Lichtstrahlen jeweils senkrechte Polarisationszustände auf weisen; Mittel zur Ausrichtung des Lichtstrahls in einen einzigen, im wesentlichen kollinearen Lichtstrahl längs des Meßpfades; Mittel zur Erzeugung phasenverschobener Strahlen, wobei die Größe der Phasenverschiebung proportional zu einem Produkt aus physikalischer Länge des Meßpfades und Brechungs index des Gases im Meßpfad ist; Mittel zur Vermischung der Polarisationskomponenten eines jeden der phasenverschobenen Strahlen zur Erzeugung vermischter Ausgangsstrahlen; Mittel zur Erzeugung heterodyner elektrischer Signale aus den Inten sitäten der gemischten Ausgangsstrahlen, die Schwingungen heterodyner Frequenzen aufweisen, welche auf die Frequenz differenz zwischen den Polarisationszuständen der Lichtstrah len bezogen sind und heterodyne Phasen aufweisen; Mittel zur Erzeugung modifizierter heterodyner Signale aus den hetero dynen elektrischen Signalen, die modifizierte heterodyne Frequenzen umfassen, welche harmonisch auf die heterodynen Frequenzen und die modifizierten heterodynen Phasen bezogen sind, die harmonisch auf die heterodynen Phasen bezogen sind; Mittel zur Vermischung von wenigstens zwei der modifizierten heterodynen elektrischen Signale zur Erzeugung von wenigstens einem superheterodynen elektrischen Signal, welches aus einer superheterodynen Modulationsfrequenz besteht, die im wesent lichen gleich ist der halben Differenz der zwei entsprechenden modifizierten heterodynen Frequenzen und einer superhetero dynen Modulationsphase, die im wesentlichen gleich ist der Hälfte der Differenz zwischen den beiden entsprechenden modi fizierten heterodynen Phasen; und Mittel zur Analyse der super heterodynen Modulationsphase zur Bestimmung der Fluktuationen in dem Brechungsindex innerhalb des Meßpfades.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Licht strahlen jeweils zwei orthogonal polarisierte Zustände be sitzen und die die Frequenzdifferenz einführenden Mittel eine Einrichtung aufweisen, um die Frequenzdifferenz zwischen den beiden orthogonal polarisierten Zuständen eines jeden der Lichtstrahlen einzuführen, wobei die Frequenzdifferenz für wenigstens zwei Strahlen unterschiedlich ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zum Ausrichten der Lichtstrahlen eine optische Einrichtung aufweisen, um sämtliche Lichtstrahlen in einen einzigen Licht strahl auszurichten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zur Erzeugung der phasenverschobenen Strahlen eine Einrichtung aufweisen, um Phasenverschiebungen zwischen den Polarisations zuständen eines jeden der Lichtstrahlen einzuführen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, bei welcher die Mittel zur Erzeugung der phasenverschobenen Strahlen eine optische Einrichtung aufweisen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zur Erzeugung der phasenverschobenen Strahlen eine optische Einrichtung aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Brechungsindices eine Funktion der Wellenlänge sind und ver schiedene Brechungsindices für jeden phasenverschobenen Strahl aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zur Vermischung der Polarisationskomponenten einen Polarisator aufweisen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zur Erzeugung der heterodynen elektrischen Signale einen photoelektrischen Detektor aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zur Vermischung von wenigstens zwei der modifizierten hetero dynen elektrischen Signale eine Einrichtung aufweisen, um irgendwelche zwei der modifizierten heterodynen elektrischen Signale zu vermischen, um das wenigstens eine superheterodyne elektrische Signal zu erzeugen, welches einen amplitudenmodu lierten Träger aufweist, der die superheterodyne Modulations frequenz hat.

11. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Quelle eine Quelle kohärenter Strahlung ist.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, bei welcher die Quelle aus einem Laser besteht.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher der Meßpfad einen Meßpfad in einem Interferometer aufweist.

14. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher das Gas Luft ist.

15. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei welcher die Mittel zur Erzeugung der modifizierten heterodynen Signale elektro nische Mittel aufweisen.

16. Vorrichtung nach Anspruch 1, welche außerdem Mittel aufweist, um Fehler in der superheterodynen Modulationsphase zu kompensieren, die durch Fluktuationen in den Wellenlängen der Quelle erzeugt wurden.

17. Vorrichtung nach Anspruch 16, bei welcher die Kompensationsmittel ein Interferometer aufweisen, das einen Meßpfad besitzt, der aus einem Monitorpfad fester Länge besteht, wobei das Gas einen kontrollierten Brechungsindex besitzt.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, bei welcher die Kom pensationsmittel außerdem eine Einrichtung aufweisen, um heterodyne Monitorsignale zu erzeugen, wobei diese Einrichtung zur Erzeugung der Monitorsignale außerdem Mittel aufweist, um modifizierte heterodyne Monitorsignale von den heterodynen Monitorsignalen zu erzeugen.

19. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher die Mittel zur Erzeugung der modifizierten heterodynen Monitorsignale elektronische Mittel umfassen.

20. Vorrichtung nach Anspruch 18, bei welcher die Kompensationsmittel außerdem eine Einrichtung aufweisen, um zwei der modifizierten heterodynen elektrischen Monitorsignale zu vermischen, um das wenigstens eine elektrische superhetero dyne Monitorsignal zu erzeugen, wobei das superheterodyne Monitorsignal einen amplitudenmodulierten Träger umfaßt, der eine superheterodyne Monitormodulationsfrequenz besitzt.

21. Verfahren zur Messung von Fluktuationen im Brechungs index eines Gases innerhalb eines Meßpfades, welches die fol genden Schritte umfaßt es werden Quellichtstrahlen erzeugt, die Quellenwellenlängen längs des Meßpfades aufweisen, die im wesentlichen harmonisch aufeinander bezogen sind und modifi zierte heterodyne Phasenverschiebungen erzeugen, die auf den Quellenwellenlängen beruhen, die in gleicher Weise harmonisch auf die harmonisch bezogenen Quellenwellenlängen bezogen sind, um eine superheterodyne Modulationsphase zu erzeugen, die im wesentlichen gegenüber einer Bewegung längs des Pfades un empfindlich ist.

22. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem das Gas Luft ist.

23. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der Meßpfad einen Meßpfad innerhalb eines Interferometers aufweist, das eine längs des Meßpfades bewegliche Stufe besitzt, wobei der die superheterodyne Modulationsphase erzeugende Schritt einen Schritt umfaßt, in dem die superheterodyne Modulationsphase erzeugt wird, die im wesentlichen unempfindlich gegenüber den Bewegungen der Stufe im Meßpfad ist.

24. Verfahren nach Anspruch 21 mit dem weiteren Schritt der Bestimmung eines Abstandes L längs des Meßpfades unabhängig von Fluktuationen in dem Brechungsindex n.

25. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der Entfer nungsmeß-Schritt außerdem einen Schritt aufweist, um die Ent fernung L gemäß dem folgenden Ausdruck zu bestimmen: wobei ϕ₁ gleich der Größe der Phasenverschiebung ist, k₁ gleich der Wellennummer der Phasenverschiebung, n gleich dem Brechungsindex und ζ₁ gleich der Phasenversetzung ist, wobei die Phasenversetzung alle Anteile der Phasenverschiebung ϕ₁ umfaßt, die nicht auf den Meßpfad bezogen sind.

26. Verfahren nach Anspruch 21, bei welchem der Schritt zur Erzeugung der Quellichtstrahlen den Schritt umfaßt, Quell lichtstrahlen mit orthogonaler Polarisation zu erzeugen, die eine Frequenzdifferenz zwischen den orthogonalen Polarisa tionszuständen aufweisen und wobei in einem weiteren Schritt heterodyne Phasenverschiebungen modifiziert werden, basierend auf den Quellenwellenlängen, umfassend die Schritte der Erzeu gung heterodyner elektrischer Signale, die Oszillationen mit heterodynen Frequenzen aufweisen, die auf Frequenzdifferenzen zwischen den Polarisationszuständen der Quellichtstrahlen be zogen sind, wobei heterodyne modifizierte Signale aus den heterodynen elektrischen Signalen erzeugt werden, die die modifizierte heterodyne Phasenverschiebung umfassen.

27. Verfahren nach Anspruch 26, bei welchem der Schritt zur Erzeugung einen Schritt umfaßt, in dem elektronisch die modifizierten heterodynen Signale erzeugt werden, wobei das Verfahren weiter den Schritt einer elektronischen Addition der modifizierten heterodynen Signale umfaßt, um ein superhetero dynes Signal zu erzeugen, welches die superheterodyne Modula tionsphase aufweist.

28. Verfahren nach Anspruch 21, welches weiter den Schritt umfaßt, die Fehler in der superheterodynen Modulationsphase zu kompensieren, die durch Fluktuationen in den Quellenwellenlängen erzeugt wurden.