PTB-Mitteilungen 2010 Heft 2

56 Pages·2010·4.03 MB·German

2.2010
Themenschwerpunkt
Interferometrie an
Maßverkörperungen
Teil 2
PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2 Themenschwerpunkt •93
Fachorgan für Wirtschaft und Wissenschaft
Amts- und Mitteilungsblatt der
Physikalisch-Technischen Bundesanstalt
Braunschweig und Berlin
120. Jahrgang, Heft 2, Juni 2010
Inhalt
Themenschwerpunkt Interferometrie an Maßverkörperungen, Teil 2
• Ahmed Abou-Zeid: Diodenlaser für die interferentielle
Längenmesstechnik 95
• Florian Pollinger, Karl Meiners-Hagen, Ahmed Abou-Zeid: Absolut-
längen mittels Mehrwellenlängen-Diodenlaserinterferometrie 105
• Karl Meiners-Hagen, Florian Pollinger, Ahmed Abou-Zeid: Brech-
zahlkompensation mittels Mehrwellenlängen-Interferometrie 110
• Martin Wedde, Karl Meiners-Hagen, Ahmed Abou-Zeid:
Interferometrische Kalibrierung von Strichmaßen, Laserinter-
ferometern und Entfernungsmessgeräten: Die Geodätische
Basis der PTB 115
• Nicolae R. Doloca, Martin Wedde, Karl Meiners-Hagen,
Ahmed Abou-Zeid: Femtosekundenlaserbasierendes
Messsystem für geodätische Längen 120
• Ingo Lohse, Michael Voigt: „Altes“ Material in „neuen“ Bändern 124
• Ingo Lohse, Rudolf Mascherek, Ahmed Abou-Zeid: Zulassung
gestern, Zertifizierung heute 127
Prüfungen der staatlich anerkannten Prüfstellen für Messgeräte
Recht und Technik
für Elektrizität, Gas, Wasser und Wärme im Jahr 2009 132
Norbert Greif, Volker Hartmann, Dieter Richter: Analyse von Wahlgeräte-
konzepten in Bezug auf das Bundesverfassungsgerichtsurteil 133
Amtliche Bekanntmachungen
(eigenes Inhaltsverzeichnis) 148
Zum Titelbild:
Das Foto auf der Titelseite zeigt den 50-m- metrischen Entfernungsmessung getestet und gegen das nationale
Interferenzkomparator der PTB, die soge- Normal verglichen.
nannte „Geodätische Basis“. Auf dieser Der linke Bereich der Abbildung zeigt in der oberen Hälfte ein zur
werden sowohl verkörperten Längenmess- Prüfung auf der Basis aufgelegtes handelsübliches Maßband. In
mittel und Laserinterferometer kalibriert den unteren Segmenten ist schematisch eine moderne mehrdimen-
und geprüft, als auch die Eigenentwick- sionale Messeinrichtung für Frachtgüter abgebildet, die im Fachbe-
lungen zur langreichweitigen interfero- reich „Interferometrie an Maßverkörperungen“ zertifiziert werden.
94 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2
Impressum
Die PTB-Mitteilungen sind metrologisches Fachjournal und amtliches
Mitteilungsblatt der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt, Braunschweig
und Berlin. Als Fachjournal veröffentlichen die PTB-Mitteilungen wissen-
schaftliche Fachaufsätze zu metrologischen Themen aus den Arbeitsgebieten
der PTB. Als amtliches Mitteilungsblatt steht die Zeitschrift in einer langen
Tradition, die bis zu den Anfängen der Physikalisch-Technischen Reichsanstalt
(gegründet 1887) zurückreicht. Die PTB-Mitteilungen veröffentlichen in ihrer
Rubrik �A�AAmmmttlltiilccichhheeeBB Beeekkkaaannnnnnttmmtmaaaccchhhuuunnngggeeennn������ uuunnntetteer rraaannndddeeererreemmm dddieiiee aaakkktuttuueeellllelleennn �e�e�erärräätettee---
Prüfungen und -Zulassungen aus den �ebieten des Eich-, Prüfstellen- und
�esundheitswesens, des Strahlenschutzes und der Sicherheitstechnik.

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PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2 Themenschwerpunkt •95
Diodenlaser für die
interferentielle Längenmesstechnik
Ahmed Abou-Zeid*
Einleitung Frequenzstabilisierung kann durch Anschluss
an eine externe Referenz wie z. B. an ein Fabry-
Die Entwicklung von Diodenlasern (Halbleiter- Perot-Etalon [4] oder eine atomare oder mole-
lasern) wird hauptsächlich durch die Massen- kulare Absorptionslinie [5‒7] realisiert werden.
produktion für Anwendungen wie z. B. in der Hier können vergleichbare Frequenzstabilitäten
Unterhaltungselektronik und der faseroptischen wie beim He-Ne-Laser erreicht werden (siehe
Nachrichtenübertragung sowie von Laserdru- Kap. 4.2).
ckern, Barcode Scannern u.v.m. stimuliert. Die Mit welcher Methode die Frequenz eines Di-
Hauptkriterien für solche Anwendungen von odenlasers stabilisiert wird, richtet sich nach der
Diodenlasern sind die emittierte optische Leis- geforderten Messunsicherheit, welche durch die
tung, die Betriebszuverlässigkeit und der Preis. Anwendung bestimmt wird. So ist die bei der
Dagegen war deren ultimative Frequenzstabilität Methode der Parameterstabilisierung erreichte
weniger von Bedeutung. Dies erschwerte den Messunsicherheit der Diodenfrequenz von ca.
Forschritt zur Fertigung spezieller Diodenlaser l0‒6 im Allgemeinen ausreichend bei der Mes-
für interferometrische Anwendungen. sung von Führungsabweichungen an Werkzeug-
Diodenlaser stellen im Vergleich zu den und Messmaschinen, der Brechzahl von Luft,
meist in der interferentiellen Längenmesstechnik der Oberflächenrauheit sowie von Längen von
verwendeten He-Ne-Lasern eine interessante Nivellierlatten, Messbändern, Inkrementalmaß-
Alternative dar. Dies gilt insbesondere in Bezug stäben und bewegten Materialien [8‒11]. Ein auf
auf Miniaturisierung, Lebensdauer, Kosten, Wir- ein Fabry-Perot-Etalon wellenlängenstabilisierter
kungsgrad, Strahlungsleistung und hochspan- Diodenlaser ( < l0‒7 ) kann für Mehrachseninter-
nungsfreiem Betrieb. Als nachteilig erweist sich ferometrie an Koordinatenmessmaschinen ange-
bei Diodenlasern die Streuung der Emissions- wendet werden [12]. Bei dem Präzisionsinterfe-
wellenlängen, die auch bei Dioden der gleichen rometer und den Endmaßkomperatoren der PTB
Charge in einem Bereich von etwa 10 nm liegt. [13, 14] wird ein auf Rb-D-Absorptionslinien
2
Außerdem ist die Emissionswellenlänge relativ stabilisierter Diodenlaser ( < l0‒9 ) neben einem
stark von Parametern, wie der Temperatur der He-Ne- und einem Nd-YAG-Laser eingesetzt.
Diodenwärmesenke und des lnjektionsstroms Für Absolut- bzw. Mehrwellenlängeninterfero-
abhängig. Andere Nachteile sind die spektrale metrie (siehe Kap. 3 und 5) stellt der Diodenlaser
Alterung der emittierten Wellenlänge, die rela- eine unersetzliche Lichtquelle wegen seines brei-
tiv starke Rücklichtempfindlichkeit sowie das ten spektralen Emissionsbereichs in Verbindung
elliptische Strahlprofil. Diese Nachteile können mit einfacher Abstimmbarkeit und schneller Mo-
durch geeignete Verfahren zur Frequenzstabili- dulierbarkeit bis in den GHz-Bereich dar [15‒18].
sierung sowie Verwendung zusätzlicher Optiken
2 Grundlagen
kompensiert werden, um von den vielen Vor-
teilen von Diodenlasern für den Einsatz in der Ein Diodenlaser stellt eine in Vorwärtsrichtung
* Dr. Ahmed Abou-Zeid,
interferentiellen Längenmesstechnik profitieren betriebene pn-Diode dar, die die Form eines ehem. Leiter des Fach-
zu können [1]. geeigneten Hohlraums aufweist. Als Laser- bereichs �Interferome-
Die emittierte Frequenz eines Diodenlasers spiegel dienen die natürlichen Spaltflächen des trie an Maßverkörpe-
rungen“
kann durch Konstanthaltung seiner Parameter Kristalls. Die heute für den Dauerstrichbetrieb
E-Mail:
[2] oder durch Verwendung eines Außenreso- gängigen Diodenlaser besitzen eine Doppel- ahmed.abou-zeid@
nators [3] passiv stabilisiert werden. Eine aktive Heterostruktur (DH) [19, 20]. Hierbei liegt ptb.de
96 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2
die aktive Zone z. B. eines GaAlAs-DH-Lasers oden („Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser
(n- oder p-Ga AlAs, x ≥ 0) zwischen einer Diodes“: VCSEL) [28]. Je nach Zusammenset-
1-x x
n- und einer p- Ga AlAs-Schicht (x < y). Die- zung der aktiven Zone des Diodenlasers und
1-y y
se Schichten haben eine größere Energielücke ihrer benachbarten Schichten existieren verschie-
und eine kleinere Brechzahl als die aktive Zone. dene kommerziell erhältliche Diodenlaserar-
Folglich entsteht senkrecht zur Schichtebene ten wie z. B. InGaN, GaN, GaInAsP, GaA1As,
sowohl eine Potentialmulde für die injizierten AlGaAsSb, GaInAsSb, InAsSbP u. a. [29, 30].
Ladungsträger als auch ein dielektrischer Wel- Diese emittieren Laserstrahlen vom sichtbaren
lenleiter zur Führung der Lichtwelle. Damit ein (400 nm) bis zum infraroten Spektralbereich
Laserbetrieb in einem Diodenlaser stattfinden (3500 nm).
kann, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein:
3 Spektrale Eigenschaften von
Zum einen muss eine Besetzungsinversion in
Diodenlasern
der aktiven Zone erzeugt werden. Dies wird
durch Minoritätsträgerinjektion erreicht. Zum Die spektralen Eigenschaften kommerziell er-
anderen muss die Resonatorgüte groß genug hältlicher Diodenlaser verschiedener Typen und
sein, um die entstehenden Verluste zu kompen- Hersteller wurden mit einem in der PTB aufge-
sieren. Bei kleinen Diodenströmen überwiegt die bauten Messplatz bestimmt [31, 32]. In diesem
spontane Emission, bei höheren die stimulierte Beitrag wird lediglich über die spektralen Ei-
Emission. Ab einem bestimmten Schwellstrom genschaften indexgeführter DH-Diodenlaser mit
(i = i ) ist die optische Verstärkung größer als Emissionswellenlängen zwischen 630 nm und
th
die Absorptionsverluste und die Laserstrahlung 850 nm in Zusammenhang mit deren Einsatz in
setzt ein. Aufgrund der Temperaturabhängigkeit Interferometern berichtet. Solche Diodenlaser
des Verstärkungs- und Verlustfaktors in der kommen für interferometrische Anwendungen
aktiven Zone ändert sich der Schwellstrom eines in der Längenmesstechnik am besten in Frage,
Diodenlasers mit der Temperatur und somit die u. a. wegen deren Nähe zum sichtbaren Spek-
emittierte Wellenlänge. tralbereich (700 nm ‒ 850 nm), was den Einsatz
Die DH-Diodenlaser (Kantenemitter) ordnet der gleichen Interferometeroptik wie beim in
man je nach ihrer lateralen Wellenführung prin- der Längenmesstechnik meist verwendete He-
zipiell in zwei Klassen ein. Eine Klasse bilden Ne-Laser begünstigt, sowie deren Verfügbarkeit
die gewinngeführten Diodenlaser [21]. Bei ihnen am Markt und deren spektrale Anpassung an
beruht die parallel zur aktiven Zone stehende übliche Si-Photoempfänger.
Wellenführung auf dem durch die laterale Ver-
3.1 Strahlleistung
teilung der Ladungsträger erzeugten optischen
Gewinnprofil. Diese Laser sind meist longitudi- Die emittierte Strahlleistung eines Diodenlasers
nal mehrmodig und haben einen astigmatischen nimmt vom Schwellstrom i an je nach Dioden-
th
Fehler unterhalb von 50 µm in der Strahlachse. typ mit einem differentiellen Wirkungsgrad von
Zur zweiten Klasse gehören die indexgeführten etwa 0,1mW/mA bis zu 1mW/mA linear zu [31].
Diodenlaser [22]. Diese besitzen einen durch ein Mit wachsender Temperatur der Diodenwärme-
Brechzahlprofil erzeugten Wellenleiter und sind senke steigt der Schwellstrom i an, während die
th
bei i > 1,1 i im Allgemeinen longitudinaleinmo- Strahlleistung abnimmt.
th
dig und fast astigmatismusfrei (< 1 µm). Je nach Bei Homodyninterferometern führt eine
optischer Resonatorlänge liegt der Abstand zwi- Leistungsänderung zu Interpolationsfehlern,
schen zwei benachbarten Longitudinalmoden weil die üblicherweise angewandte Phasen-
zwischen etwa 0,2 nm und 0,5 nm. Die Transver- korrektur konstante Leistung voraussetzt. Die
sale Einmodigkeit, d. h. die Emission des Grund- Phasenkorrektur wird durch Anpassung einer
mode TEM senkrecht zur Schichtenebene, ist Ellipse an die mit einem Quadraturdetektor ge-
00
ohnehin gewährleistet, da die Dicke der aktiven wonnenen Interferenzsignale erreicht [33]. Die
Zone < 0,5 µm ist. Um auch in der Zonenbreite Spur dieser Signale folgt aber bei Leistungsän-
transversalen Grundmodenbetrieb zu erreichen, derungen nicht mehr einer Ellipse sondern einer
wird die aktive Zone sehr schmal ausgelegt. Spirale. Die dadurch hervorgerufenen Interpo-
Neben den Doppelheterostrukturlasern ist lationsfehler vergrößern die Messunsicherheit
eine Reihe von Laserstrukturen bereits entwi- eines Diodenlaserinterferometers, vor allem
ckelt worden, wie Diodenlaser mit gesteuerten wenn die Stabilisierung oder das Abstimmen der
Rückkopplungsmechanismen („Distributed Frequenz des Diodenlasers über seinen Strom
Feedback“: DFB, „Distributed Bragg Reflector“: erfolgt. Leistungsschwankungen können ggf.
DBR) [23, 24], Diodenlaser auf der Basis zweidi- mittels akusto-optischem Modulator kompen-
mensionaler elektronischer Systeme (,‚Quantum siert werden [32]. Heterodyninterferometer sind
Well Lasers“) [25], C3-Laser („Cleaved Coupled zwar aufwendiger zu realisieren als Homodyn-
Cavity“) [26], Diodenlaserzeilen (,‚Diode Laser interferometer, dafür aber nahezu unempfind-
Arrays“) [27] und vertikal emittierende Laserdi- lich gegenüber Leistungsschwankungen.
PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2 Themenschwerpunkt •97
3.2 Strahlprofil 1,25 nm. Der Hystereseeffekt macht sich dadurch
Das Strahlprofil einer Lichtquelle entscheidet bemerkbar, dass der Diodenlaser beim Aufhei-
über die Kollimierbarkeit des Strahls und damit zen der Wärmesenke kleinere Wellenlängen
auch über den maximalen Messbereich. Die emittiert als beim Abkühlen. Dadurch hat ein
beste Kollimation lässt sich mit einem gaußför- Diodenlaser die Tendenz die Laserwellenlänge
migen Strahlprofil erreichen. Bedingt durch Beu- beizubehalten, welche durch ihren vorherge-
gung an der Austrittsfläche eines Diodenlasers henden Zustand bestimmt wurde.
(Breite < 5 µm, Dicke < 0,5 µm) unterscheidet Für interferometrische Anwendungen ist
sich die Strahldivergenz parallel bzw. senkrecht die Reinheit der Emissionswellenlänge eine
zur pn-Übergangsebene der laseraktiven Zone: wichtige spektrale Eigenschaft. Neben der
Divergenzwinkel θ < 15° und θ < 50° [31]. Hauptmode emittieren Diodenlaser immer
II ⊥
Das entsprechend elliptische Strahlprofil ist für auch etwas Leistung in eine große Zahl von
kleinere Messbereiche (< 5 m) ausreichend gut. Nebenmoden. Diese Nebenmoden führen zu
Bei größeren Messbereichen kommt es wegen Schwankungen der emittierten Leistung und
des Astigmatismus zu systematischen Abwei- verursachen damit Fehler bei der Interpolation
chungen, weil der Strahl das Interferometer, des Interferenzsignals (siehe Kap. 3.1). Da bei
je nach Position des Messreflektors, mit stark der Absolutinterferometrie, d. h. Messung von
unterschiedlicher Divergenz durchläuft [32]. Mit absoluten Abständen ohne Verschiebung des
zusätzlichen Optiken (Zylinderlinsen, anamor- Messreflektors, besonders hohe Anforderungen
phe Prismen) lässt sich die Strahlform korrigie- an die Interpolation gestellt werden, sollten die
ren. Zur Strahlformung können auch Raumfilter Nebenmoden also möglichst gering sein, z. B.
(mit Lochblenden < 10 µm) oder Monomodefa- durch Verwendung eines Außenresonators [32].
sern verwendet werden. Bei der Verschiebeinterferometrie, d. h. Messung
von Abständen durch Verschiebung des Mess-
3.3 Strahlpolarisation
reflektors, ist der Effekt der Nebenmoden für
Die aus dem Diodenlaser emittierte Strahlung relative Längenmessunsicherheiten oberhalb von
ist nahezu linear polarisiert und wie der elek- 10‒7 vernachlässigbar.
trische Feldvektor parallel zur Übergangsebene
3.5 Emissionswellenlänge
[19, 20, 30]. Der Polarisationsgrad nimmt mit
steigendem Diodenstrom, i > i , zu, da der un- Die Emissionswellenlänge eines kommerziell
th
polarisierte Anteil der Strahlung durch die spon- erhältlichen Diodenlasers ist mit nur etwa 1%
tane Emission oberhalb des Schwellstroms etwa Unsicherheit bekannt, wenn keine Kalibrierung
konstant bleibt. der Wellenlänge durchgeführt wurde. Um die
Die meisten Interferometer enthalten pola- Wellenlänge genauer zu bestimmen, muss für
risationsempfindliche Optiken. Die Polarisation jeden Diodelaser die Abhängigkeit der Wel-
des Eingangsstrahls sollte deshalb stabil sein, lenlänge von den Parametern Temperatur und
was bei den meisten Diodenlasern nicht der Fall Strom gemessen werden. Diese müssen während
ist. Diesem Umstand lässt sich mittels Verwen- des Betriebes stabilisiert werden. Ein so para-
dung eines Polarisators gerecht werden. meterstabilisiert betriebener Diodenlaser hat
eine Wellenlängenunsicherheit von etwa 10‒6.
3.4 Emissionsspektren
Infolge von Alterungsprozessen des Diodenla-
Die emittierten Spektren eines Diodenlasers sers (siehe Kap. 4.1) können sich die Bereiche der
hängen von den Diodenparametern Temperatur Betriebsparameter, für die eine stabile Emission
und Strom ab [2]. Dabei existieren lineare Wel- gewährleistet ist, verschieben [31]. Die Charak-
lenlängenbereiche, die durch hysteresebehaftete terisierung muss also regelmäßig wiederholt
Modensprünge unterbrochen sind. Für i > i werden, falls man auf die genaue Kenntnis der
th
konzentriert sich fast die gesamte emittierte Wellenlänge angewiesen ist, was sehr aufwendig
Strahlungsleistung in einer Longitudinalmode. ist. Für die Verschiebeinterferometrie muss da-
Die Wellenlänge dieser Hauptmode nimmt im her der Diodenlaser an eine zeitstabile Referenz
modensprungfreien Bereich mit ansteigenden angeschlossen werden (siehe Kap. 4.2), um Wel-
Diodenparametern, z. B. für GaAlAs-Diodenlaser lenlängenunsicherheiten unterhalb von 10‒5 zu
um etwa 0,006 nm/mA bzw. 0,06 nm/K, linear erreichen. Im Falle der Absolutinterferometrie ist
zu [31]. Dies ist hauptsächlich auf die Änderung der Einfluss der Wellenlänge auf das Messergeb-
des Brechzahl der aktiven Zone mit der Tempe- nis äußerst gering, weil der Wert der Verschie-
ratur zurückzuführen. Der Modensprung beruht bung der Wellenlänge durch das Abstimmen für
im Allgemeinen auf den unterschiedlichen Tem- jede Einzelmessung mit einer Referenz bestimmt
peraturabhängigkeiten der Energielücke und wird und so die Wellenlänge für die Berechnung
der Brechzahl der aktiven Zone und kann das der Weglänge nicht benötigt wird [15, 32].
ein- bis fünffache des Modenabstandes betragen,
z. B. für GaAlAs-Diodenlaser etwa 0,25 nm bis
98 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2
3.6 Kohärenzlänge verhaltens der Elektronik und unterschiedlicher
Im Vergleich zu Gaslasern haben Diodenlaser Signallaufzeiten vorhanden. Bei nichtlinearem
eine größere Emissionslinienbreite und dem Abstimmen führen diese Phasenverzögerungen
entsprechend kleinere Kohärenzlänge bedingt zu Messwertabweichungen, während bei line-
durch deren relativ kleine Resonatorlänge und arem Abstimmen die Einflüsse der Phasenverzö-
-güte [20, 30]. Die Kohärenzlänge wird aus Mes- gerungen auf das Messergebnis durch geeignete
sungen der Sichtbarkeit der Interferenzstreifen Mittelungsverfahren deutlich reduziert werden
(Kontrast) bestimmt. Sie nimmt mit wachsendem können. Darüber hinaus bietet ein mit linearer
Diodenstrom zu, da der inkohärente Anteil der Wellenlängenabstimmung gewonnenes Interfe-
Laserstrahlung, erzeugt durch die spontane renzsignal bessere Möglichkeiten der Rauschun-
Emission, oberhalb der Laserschwelle ungefähr terdrückung, weil es nur einen schmalen Bereich
konstant bleibt. Einfach parameterstabilisierte an Signalfrequenzen enthält [32].
Diodenlaser haben je nach Typ und Strahlungs-
3.8 Rücklichtempfindlichkeit
leistung eine Kohärenzlänge bis zu etwa 20 m
(siehe Kap. 3.7) [34]. Durch die Entwicklung von Kehrt das von einem Diodenlaser emittierte
Verfahren der wellenlängenselektiven Strahl- Licht in den Diodenlaser zurück (Rücklicht), so
rückkopplung mittels Beugungsgitter konnte ändern sich im Allgemeinen die fundamentale
die Kohärenzlänge deutlich vergrößert werden Linienbreite sowie die emittierte Wellenlänge
[35, 36]. Ein Beispiel ist ein „External Cavity und die Anzahl der Longitudinalmoden auf-
Diode Laser“ (ECDL) in der Littman- oder grund der Variation der Besetzungsinversion
Littrow-Konfiguration [37, 38]. Diese können in der aktiven Zone und der Veränderung der
Kohärenzlängen bis etwa 150 m aufweisen. Resonatorgüte. Die auftretenden Änderungen
Für den Einsatz im Interferometer begrenzt hängen von den Außenresonatorparametern
die Kohärenzlänge den Messbereich. Mit der (Reflexionsvermögen des Außenspiegels und
Sichtbarkeit der Interferenzstreifen verringert dessen Abstand zur aktiven Zone) sowie vom
sich das Signal zu Rausch Verhältnis des In- Diodenlasertyp und dessen Parametern ab
terferenzsignals, so dass eine Interpolation der [41]. Insbesondere unkontrolliertes Rücklicht,
Interferenzstreifen immer schlechter gelingt. Mit wie es beispielsweise von den optischen Ele-
der Verschlechterung der Sichtbarkeit bei zuneh- menten eines Interferometers erzeugt wird,
mendem Interferenzweg geht eine zunehmende führt im Allgemeinen bei Diodenlasern zu einer
Verschmierung der Interferenzphase einher. Destabilisierung der Emissionsfrequenz, welche
Auch wenn die Sichtbarkeit für eine Messung interferometrische Längenmessungen unsicher
noch ausreichend gut ist, hat dieser Effekt bereits macht. Das unerwünschte Rücklicht kann durch
bei Interferenzwegen kleiner als die Kohärenz- den Einsatz optischer Isolatoren sowie optischer
länge erheblichen Einfluss auf die Messunsicher- Elemente mit Antireflexionsschichten unter-
heit. Während bei der Verschiebeinterferometrie drückt werden, wodurch sich allerdings die
eine Phasenunsicherheit von z. B. 2π/100 zur Gesamtkosten des Lasersystems vervielfachen.
Unsicherheit der gemessenen Länge mit einigen Diodenlaser mit externem Resonator, also mit
Nanometern beiträgt, ist die Unsicherheit bei wellenlängenselektivem und in der optischen
einem Absolutinterferometer um den Faktor Phase kontrolliertem Rücklicht, sind in der Regel
λ / Δλ ≈ 1000 bis 5000 größer [32]. unempfindlicher als Diodenlaser ohne externen
Resonator. Ein optischer Isolator ist dennoch im-
3.7 Abstimmen der Wellenlänge
mer erforderlich. Falls ein Diodenlaser erheblich
Die Wellenlänge eines Diodenlasers kann über mehr Leistung emittiert, als für den Betrieb des
Variation des Stroms abgestimmt werden. Der Interferometers erforderlich, kann eine Dämp-
modensprungfreie Abstimmbereich kann bis zu fung des Rücklichtes auch mittels einfacher
ca. 0,2 nm [2, 31] betragen, für ein ECDL durch Graufilter realisiert werden.
Drehung der Spiegelwinkel bis zu etwa 1 nm
4 Frequenzstabilisierung von
[37, 39].
Diodenlasern
Die Entwicklung von Absolutinterferome-
tern, d. h. von Interferometern, mit denen sich Für den Einsatz von Diodenlasern in der interfe-
Abstände ohne Verschiebung des Messreflektors rentiellen Längenmesstechnik ist eine Frequenz-
messen lassen, ist erst mit der weiten und kon- stabilisierung erforderlich. Hierfür existieren
tinuierlichen Abstimmbarkeit von Diodenlasern verschiedene Methoden, die unterschiedlichen
möglich geworden [40]. Neben der Forderung Aufwand erfordern und dementsprechend un-
der weiten und schnellen Abstimmbarkeit sollte terschiedliche Frequenzstabilitäten aufweisen.
die Abstimmung darüber hinaus möglichst Mit welcher Methode die Frequenz eines Dio-
linear sein, denn obwohl die Abstimmung kon- denlasers stabilisiert wird, richtet sich je nach
tinuierlich mit einer Referenz gemessen wird, Anwendung nach der geforderten Messunsi-
sind Phasenverzögerungen infolge des Tiefpass- cherheit bzw. der zu messenden Länge.
PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2 Themenschwerpunkt •99
4.1 Parameterverfahren 10-7 modulationsfrei stabilisiert werden. Eine ab-
Die emittierte Frequenz eines Diodenlasers kann solute Frequenzstabilität von etwa 10‒8 kann für
durch Konstanthaltung seiner Parameter passiv einen Diodenlaser erreicht werden, der auf eine
stabilisiert werden. Sind die Werte der Tempera- Doppler-verbreiterte Rb-D-Absorptionslinie sta-
2
tur bzw. des Stroms um etwa 0,01 K bzw. 0,1 mA bilisiert ist [50]. Ein in der Littrow-Konfiguration
stabil, so können relative Frequenzstabilitäten aufgebauter ECDL kann mittels Doppler-freier
Δf/f ≈ 10‒6 erreicht werden [31]. Polarisationsspektroskopie auf eine gesättigte
Die Abhängigkeit der emittierten Frequenz von Rb-D-Absorptionslinie mit einer relativen Fre-
2
den Diodenparametern kann zur Frequenzstabi- quenzstabilität < 10‒9 modulationsfrei stabilisiert
lisierung eines Diodenlasers auch bei Variation werden, bei einer Frequenzmodulation der La-
seines Stroms ausgenutzt werden. Dabei wird seremission mit dem 3f-Verfahren < 3 · 10‒10 [51].
die Frequenzverschiebung durch die Stromän- Ein in Littman-Konfiguration aufgebauter ECDL
derung durch eine gezielte Änderung der Tem- kann mittels Frequenzmodulationsspektroskopie
peratur kompensiert. Bei einer Stromänderung auf eine gesättigte 127J-Absorptionslinie (633 nm)
2
um ca. 20 mA liegt die gesamte Frequenzver- mit einer relativen Frequenzstabilität < 10‒12 mo-
schiebung um ca. 0,4 GHz, was einer relativen dulationsfrei stabilisiert werden [7].
Frequenzstabilität Δf/f ≈ 10‒6 entspricht [42].
5 Diodenlaserninterferometer für die
Die spektrale Alterung von Diodenlasern ist
Längenmesstechnik
im Allgmeinen auf Änderungen der optischen
Eigenschaften des Resonators, des thermischen
5.1 Längenmessungen bei Kompensation der
Widerstandes zwischen der aktiven Zone und
Luftbrechzahl
der Diodenwärmesenke sowie des elektrischen
Serienwiderstandes zurückzuführen. Bedingt Wird die Wellenlänge einer Lichtquelle in Luft
durch diese können Verschiebungen der emit- stabilisiert, z. B. durch Anschluss an eine stabile
tierten Wellenlänge eines Diodenlasers trotz Maßverkörperung als Referenz, so wird der
Konstanthaltung seiner Parameter um > 10‒5 /a Einfluss der Brechzahl der Luft auf die Län-
auftreten [43]. Somit ist es notwendig, para- genmessung großenteils eliminiert und somit
meterstabilisierte Diodenlaser für relative Fre- der Aufwand zur Messung der Luftparameter
quenzstabilitäten unterhalb von 10‒5 regelmäßig (Temperatur, Druck, Feuchte u. a.) wesentlich
zu rekalibrieren. reduziert. Durch seine einfache und schnelle
Abstimmbarkeit über den Diodenstrom ist der
4.2 Referenzverfahren
Diodenlaser eine gut geeignete Lichtquelle, um
Stabilisiert man die emittierte Frequenz eines Di- Änderungen der Brechzahl der Luft quasi-in-
odenlasers durch Anschluss an eine Referenz, so stantan zu kompensieren.
wird die spektrale Alterung eines Diodenlasers Die Luftwellenlänge eines Diodenlasers
eliminiert und somit eine höhere Frequenzsta- mit einer optomechanischen Messanordnung
bilität erreicht. Bei den Referenzverfahren wird bestehend aus einem Diodenlaser-Verschie-
im Allgemeinen der Diodenstrom moduliert, um beinterferometer und einem damit gekoppelten
ein Nutzsignal für die Frequenzstabilisierung Messtaster als „Längennormal“ [52] konnte
zu gewinnen. Dieses Signal wird mittels Lock- mittels digitaler Regelung so stabilisiert werden,
in-Technik zur Nachführung der Frequenz des dass die gemessenen Verschiebelängen beider
zu stabilisierenden Diodenlasers an die der Re- Systeme gleich groß sind. Untersuchungsergeb-
ferenz benutzt. Die Frequenz von Diodenlasern nisse zeigten eine relative Messunsicherheit der
kann durch Ankoppeln an einen Fabry-Perot- Luftwellenlänge von ca. 8 · 10‒7 bei simulierten
Etalon stabilisiert werden [44]. Die erreichten re- Schwankungen der Brechzahl der Luft um etwa
lativen Kurzzeitstabilitäten liegen unterhalb 10‒8. 10‒5. Dieses vielversprechende Ergebnis könnte
Langzeitstabilitäten werden durch die Alterung für viele Anwendungen in der industriellen Län-
der Etalonspiegel (Änderung des Reflexionsver- genmesstechnik interessant werden, da auf den
mögens) und dessen Halterung (z. B. Zerodur) Einsatz von Luftrefraktometern bzw. -sensoren
bestimmt. verzichtet werden kann. Darüber hinaus kann
Für die Frequenzstabilisierung von Dioden- solch eine einfache Messanordnung zur regelmä-
lasern durch einen direkten Anschluss an eine ßigen Rekalibrierung der Arbeitsbereiche und
atomare bzw. molekulare Absorptionslinie exi- der Emissionswellenlänge kommerzieller Dio-
stieren im Emissionsbereich 630 nm bis 850 zahl- denlaser verwendet werden, was aufwendige
reiche gut bekannte Absorptionslinien von Cs, Zusatzkalibrierungen, z. B. mittels Monochroma-
Rb, Kr, Xe, Na, Ca, Ar, HO, J, u. a. [45‒47] So tor, Spektrumanalysator oder „Lambda Meter“,
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kann ein Diodenlaser auf einen Hyperfeinstruk- überflüssig macht [53].
turübergang D des 87Rb bei 780,24 nm mit Hilfe Zur Längenmessung in zwei Achsen an
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des Zeeman- sowie des Faraday-Effekts [48, 49] Koordinatenmessmaschinen unter Labor- und
mit einer relativen Frequenzstabilität von etwa Werkstattbedingungen wurde ein Diodenlaser-
100 • Themenschwerpunkt PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2
interferometer aufgebaut. Dabei wurde die Luft- ferometersignale. Diese werden mittels Lock-
wellenlänge des Diodenlasers an ein mit Luft in-Technik getrennt und gleichzeitig von nur
gefülltes Fabry-Perot-Etalon als Referenz aus einem Empfänger detektiert. Ein so entwickeltes
Zerodur stabilisiert [54]. Die relative Messunsi- Diodenlaserprofilometer weist eine Auflösung
cherheit der Luftwellenlänge lag unterhalb von von ca. 4 nm und eine Messunsicherheit < 20 nm
10‒7, die der Länge einer mit Löchern versehenen für einen Messbereich von ca. 145 µm auf. Die
Zerodurplatte, in der X- und der Y-Achse sowie Leistungsfähigkeit des Diodenlaserprofilometers
in der XY-Ebene, oberhalb von 10‒6. konnte durch Messungen von Rillentiefen [56]
Zur interferentiellen Längenmessung an ein und Stufenhöhen [57] auf glatten Oberflächen
kommerziell erhältliches Gerät zur Kalibrierung unter Beweis gestellt werden. Das Verfahren
einfacher Längenmessmittel, wie z. B. Mikrome- stößt bei rauen Oberflächen, bei denen der In-
terschrauben, Messschieber u. a., wurde ein mit terferenzkontrast abnimmt, an seine Grenzen.
Luft gefülltes Fabry-Perot-Etalon mit Abstands- Vergleichsmessungen an sog. „superfeinen
haltern aus Stahl zur Stabilisierung der Wel- Rauheitsnormalen“ zeigten dennoch, dass es
lenlänge des Diodenlasers verwendet, um die innerhalb gewisser Grenzen der Rauheit möglich
Messunsicherheitsbeiträge durch die thermische ist, die technischen Rauheitsparameter in guter
Ausdehnung des zu kalibrierenden Prüflings Übereinstimmung mit den Kalibrierdaten der
(meistens aus Stahl) und die der Berechzahl der Rauheitsnormale zu ermitteln [56].
Luft zu kompensieren [55]. Damit konnte eine
5.3 Rundheit
relative Messunsicherheit der Luftwellenlänge
unterhalb von 10‒7 und für Verschiebelängen Der entwickelte berührungslose Diodenlaserpro-
diverser Messmittel bis zu 300 mm eine relative filometer von Kap. 5.2 wurde an ein kommer-
Längenmessunsicherheit unterhalb von 10‒5 er- zielles taktiles Formmessgerät montiert. Damit
reicht werden. konnten Rundheitsmessungen nach den beiden
Messverfahren durchgeführt und verglichen
5.2 Oberflächenrauheit
werden. Derartige Vergleichmessungen zeigen
Konventionelle Laserinterferometer weisen zwar [58], dass mit dem Diodenlaserinterferometer
Auflösungen im Nanometerbereich auf, liefern Rundheitsmessungen an verschiedenen Prüf-
jedoch keine eindeutigen Ergebnisse, wenn Weg- lingen (Wellennormale) aus Stahl, Aluminium,
änderungen zwischen zwei Messpunkten größer Nickel und Glas mit Rundheitsabweichungen
sind als die halbe Lichtwellenlänge. Ein Ausweg von weniger als 1 µm bis 22 µm und 2,5 mm bis
aus dieser Problematik ist die Hinzunahme eines 80 mm Durchmesser möglich sind. Die Unsicher-
oder mehrerer Laser mit verschiedenen Wellen- heit der Messungen hängt allerdings wesentlich
längen. Die Differenz der Interferometerphasen von den Reflexionseigenschaften des Prüflings
zweier Wellenlängen wirkt wie die Phase einer ab. Bei ungünstigen Reflexionseigenschaften
sog. „synthetischen“ Welle, die länger ist als die betragen die Abweichungen zu herkömmlichen
verwendeten optischen Wellenlängen. Mittels mit mechanischen Tastern durchgeführten Mes-
Mehrwellenlängeninterferometrie kann der sungen bis zu einigen µm. Bei guten Reflexions-
Eindeutigkeitsbereich um die Hälfte der resul- eigenschaften ist die Abweichung typischerwei-
tierenden synthetischen Wellenlänge se kleiner 1 µm. Dabei war die Messunsicherheit
Λ = λλ/(|λ −λ |) erweitert werden. Unter Ver- des Interferometers durch Vibrationen des luft-
ij i j j i
wendung mehrerer Wellenlängen kann der Ein- gelagerten Drehtisches des verwendeten Form-
deutigkeitsbereich theoretisch nahezu beliebig messgeräts (< 100 nm) begrenzt.
gesteigert werden, in der Praxis steigt aber der
5.4 Form dünner Zylinder
Aufwand dabei unverhältnismäßig.
Zur berührungslosen Messung der Topo- Zur Formmessung dünner Zylinder
graphie von Oberflächen wurde ein punktweise (Ǿ < 2,5 mm) mittels taktiler Verfahren können
abtastendes Diodenlaserinterferometer mit drei Deformationen des Prüflings durch die An-
Wellenlängen, 780 nm, 823 nm und 825 nm, auf- tastkräfte auftreten, was die Messunsicherheit
gebaut [56], die parameterstabilisiert sind. Die erheblich beeinflusst. Ein neuartiges Verfahren,
drei Laserstrahlen werden in eine gemeinsame welches auf Basis eines Mehrwellenlängen-Di-
Monomodefaser eingekoppelt und durchlaufen odenlaserinterferometers (651 nm, 671 nm und
nach der Auskopplung im Interferometer den 827 nm), entwickelt wurde [59], ermöglicht
gleichen Weg. Die zu messende Oberfläche, die berührungslose Form- und Durchmesserbestim-
in x- und y-Richtung mechanisch verstellbar ist, mungen dünner zylindrischer Objekte. Darüber
stellt den Messspiegel des Interferometers dar. hinaus kann auf die sehr aufwendige Dreh-
Die durch Modulation der Diodenströme mit führung kommerzieller Rundheitsmessgeräte
unterschiedlichen Frequenzen, um ca.1 MHz, verzichtet werden. Kernstück des Verfahrens
hervorgerufene Wellenlängenmodulation führt ist ein Innenkegelspiegel, der die Wellenfronten
zu entsprechenden Modulationen der Inter- des einfallenden Lichtes zylindersymmetrisch
PTB-Mitteilungen 120 (2010), Heft 2 Themenschwerpunkt •101
auf den Prüfling lenkt, der als Messreflektor des gemessen. Hier kann die Distanz ohne Kenntnis
Interferometers dient. Die Formmessung erfolgt der Wellenlänge berechnet werden, solange die
mittels räumlicher Phasenschiebeinterferometrie. Frequenzänderung bekannt ist. Die Nachteile
Die verwendeten Diodenlaser werden auto- des Verfahrens sind der notwendige weite Ab-
matisch auf dopplerverbreiterte Absorptionsli- stimmbereich des Lasers [63], die relativ lange
nien von Joddampf stabilisiert, um die Nachteile Messzeit [64] und der aufwendige und komplexe
des Diodenlasers bezüglich Stabilität und Kennt- Aufbau [65]. Dabei wurden Messunsicherheiten
nis seiner Wellenlänge zu kompensieren. oberhalb von 10‒6 für Distanzen zwischen 4 und
Die Messergebnisse an verschiedenen Proben 40 m erreicht.
zeigen, dass mit diesem Verfahren die Oberflä- Ein neuartiger Ansatz in der Absolutin-
chenmorphologie geeigneter zylindrischer Ob- terferometrie basiert auf zwei Diodenlasern
jekte mit einer Auflösung von wenigen Nanome- als Lichtquellen und ermöglicht einen kosten-
tern gemessen werden kann. Die Verwendung günstigen und relativ kompakten Aufbau. Das
von drei verschiedenen Lasern zur Erzeugung Verfahren beruht auf einer Kombination der
synthetischer Wellenlängen ermöglicht die Er- oben beschriebenen Verfahren: Der Mehrwel-
weiterung des Messbereiches von ca. 328 nm bis lenlängeninterferometrie mit konstanter und
hin zu 14 µm. Somit können Formabweichungen variabler synthetischen Wellenlänge [66, 67].
vom Nanometer- bis hin zum Mikrometerbe- Dabei kompensieren sich die Schwächen der
reich gemessen werden und dies für relativ gut Einzelverfahren. Außerdem können die gleichen
reflektierende Prüflinge [60]. optischen Komponenten in beiden Verfahren
verwendet werden, was den Aufwand für
5.5 Absolute Distanzen
den optischen Aufbau deutlich reduziert. Das
Führungsfreie Messung absoluter Distanzen im Verfahren arbeitet in zwei Schritten: Zunächst
Bereich bis zu mehreren zehn Metern ist heutzu- wird ein Laser in seiner Frequenz periodisch
tage für praktische Anwendungen z. B. bei der abgestimmt, so dass die Länge aus der Phasen-
präzisen Positionierung von großen Bauteilen im änderung des Interferometers grob bestimmt
Flugzeug- sowie im Windkraftanlagenbau not- werden kann. Der abstimmbare Laser emittiert
wendig. Hierfür existieren diverse Verfahren wie bei einer Frequenz nahe der Kalium-D1-Absorp-
z. B. Laser-Radar, Triangulation , Autofokus und tionslinie (770,1 nm), auf die er auch stabilisiert
Laufzeitmessung (EDM, Tachymeter, Laser-Tra- werden kann. Der zweite Laser wird während
cker), die je nach Aufwand Messunsicherheiten der gesamten Messung auf die Kalium-D2-Li-
oberhalb von 10‒6 aufweisen. Demgegenüber nie (766,7 nm) stabilisiert. Während des ersten
wurden seit den 1980er Jahren verschiedene Ver- Messschrittes dient dieser Laser dazu, Reflek-
fahren der Absolutinterferometrie entwickelt. torbewegungen zu erfassen. Diese gehen, ver-
Absolutinterferometer sind jedoch bis heute stärkt um das Verhältnis der Laserfrequenz zum
praktisch nicht eingesetzt worden. Höchstwahr- Abstimmbereich, in das Messergebnis ein und
scheinlich sind die bisher entwickelten Absolu- müssen daher entsprechend korrigiert werden.
tinterferometer zu aufwendig und komplex für Nach dem automatischen Umschalten des ersten
den kommerziellen Einsatz [61–65]. Lasers von der modulierten auf eine stabilisierte
Der erste Ansatz in der Absolutinterferome- Betriebsart stellen beide Laser eine synthetische
trie ist das so genannte Mehrwellenlängenver- Wellenlänge von ca. 173 µm zur Verfügung.
fahren. Dabei werden die Interferometerphasen Mit dieser synthetischen Wellenlänge wird das
verschiedener Laserwellenlängen nacheinander Ergebnis des ersten Messschrittes weiter inter-
gemessen. Ein entscheidender Nachteil dieses poliert, um die angestrebte Messunsicherheit
Verfahrens ist, dass es sehr empfindlich auf mit der optischen Wellenlänge zu erreichen. Die
Distanzänderungen während der Messung Ergebnisse zeigen [67], dass es durch die Kom-
reagiert, da die bei den verschiedenen Wellen- bination der zwei Einzelverfahren möglich ist,
längen nacheinander gemessenen Interferome- absolute Distanzen bis zu 20 m mit einer Mess-
terphasen zu verschiedenen Distanzen gehören. unsicherheit unterhalb von 6 · 10‒7 zu messen.
Messunsicherheiten oberhalb von 10‒7 konnten
6 Schlussbemerkung
für Distanzen < 1 m erreicht werden [61, 62].
Ein weiterer Ansatz in der Absolutinterfe- Diodenlaser, die aufgrund ihrer spektralen Ei-
rometrie ist die Verwendung eines Lasers, der genschaften den Ersatz des in der zählenden Ver-
in seiner Emissionsfrequenz kontinuierlich ab- schiebeinterferometrie zur Längenmessung meist
gestimmt werden kann. Durch das Abstimmen verwendeten He-Ne-Lasers erlauben, konnten
entsteht quasi eine variable synthetische Wel- mit vergleichbarer Frequenzstabilität (< 10‒9 )
lenlänge, die bei unendlich startet und bei der zwar entwickelt werden, haben sich kommerzi-
maximalen Frequenzänderung den kürzesten ell großenteils aber nicht durchgesetzt, weil die
Wert einnimmt. Während des Abstimmens wird zahlreichen Vorteile des Diodenlasers den Mehr-
die Phasenänderung des Interferometersignals aufwand bei der Frequenzstabilisierung und