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Lexikon der Optik: Heterodyninterferometer

Heterodyninterferometer, ein Interferometer, bei dem das Licht in den beiden Teilstrahlengängen eine unterschiedliche Frequenz besitzt. Messungen mit dem H. stellen eine Sonderform der Echtzeitinterferometrie dar, bei der durch innere (im Interferometer erfolgende) oder äußere Frequenzmodulation der Lichtwellen dafür gesorgt wird, daß die zu bestimmende optische Phasendifferenz Φ als Phase der mit der Schwebungsfrequenz oszillierenden Komponente des Photostromes gemessen werden kann. Die Intensität I der auf den Photodetektor fallenden Strahlung lautet dann für den Fall von Zweistrahlinterferenzen: I(x,y;t)=I0{1+V(x,y)cos[Φ(x,y)-Δot]} mit V als der Sichtbarkeit des Interferenzbildes, Δω als Schwebungsfrequenz und I0 als mittlere Intensität sowie Φ(x, y) als der zu messenden Phase. Mit Photodetektoren werden der Intensität I proportionale Spannungen erzeugt, die vom Gleichspannungsanteil (∝I0) durch kapazitive Kopplung befreit werden. Dadurch ergibt sich für die Phasenmessung der Vorteil höherer Meßgenauigkeit, da die Nulldurchgänge der cos-Funktion immun gegen Ausleuchtungs- und Sichtbarkeitsschwankungen sind. Die Bestimmung der Phase Φ erfolgt durch den Vergleich mit einem externen Referenzsignal wie z.B. bei Laserwegmeßsystemen oder mit einem Referenzsignal, das mittels eines feststehenden Empfängers im Interferenzfelde gewonnen wird, wie z.B. bei der Flächenprüfung.

Eine H.-Anordnung aus der Hologramminterferometrie gibt Abb. 1 wieder. Unter Verwendung von zwei Referenzwellen unterschiedlicher Richtung, welche die gleiche Frequenz wie die Objektwelle besitzen, werden zunächst die zwei zu vergleichenden Objektzustände nacheinander (durch Doppelbelichtung) in ein und demselben Hologramm aufgezeichnet. Die Rekonstruktion der Objektwellen erfolgt gleichzeitig mit zwei Wellen, die sich in ihrer Frequenz um Δω unterscheiden. (Die erforderliche Frequenzmodulation wird mit zwei akustooptischen Modulatoren vorgenommen, die eine Frequenzverschiebung um Ω+Δω bzw. Ω bewirken.) Die Interferenz der rekonstruierten Objektwellen führt dann zu einem zeitlich veränderlichen Intensitätsmuster der oben genannten Form, wobei die Phasendifferenz Φ ein Maß für den geometrischen Wegunterschied bezüglich der beiden Objektzustände darstellt. Als Referenzsignal läßt sich elektronisch ein Signal ∝cos(Δωt) durch Mischung und Filterung der Modulatorspannung gewinnen. Die Phasenmessung wird elektronisch mit einem hochgenauen Phasenmesser vorgenommen. Die Abtastung des Interferenzbildes erfolgt in x- und y-Richtung mechanisch.

Auch in der Optikprüfung wird das H. angewendet (Abb. 2). Hier wird die Frequenzmodulation in einem vorgeschalteten Mach-Zehnder-Interferometer vorgenommen. Die mit Ω bzw. Ω+Δω frequenzmodulierten Teilwellen sind senkrecht zueinander polarisiert, weshalb sie mit Polarisationsstrahlteilern in Objekt- und Referenzstrahlen getrennt werden können. Mit Hilfe eines Polarisators werden die senkrecht zueinander polarisierten Wellen im Interferometerausgange überlagert. Durch den Einsatz von λ/2- und λ/4-Platten kann das eigentliche Prüfinterferometer im Kontrast geregelt und eine rückwirkungsfreie Auskopplung des Interferenzbildes vorgenommen werden. Das durch Überlagerung des Referenzsignals mit dem Signal aus dem Objektstrahlengang entstehende Interferenzbild wird mit einer Photodiode bzw. in seiner x,y-Abhängigkeit durch eine Sondenröhre (image dissector tube) erfaßt. Nach diesem Verfahren werden Meßfehler bei der Phasenmessung infolge mechanischer Erschütterungen durch Differenzbildung weitestgehend eliminiert. Interferenzlängenmessung.



Heterodyninterferometer 1: Anordnung zur Vermessung von Objektveränderungen. U elektrische Spannung.



Heterodyninterferometer 2: Anordnung zur Prüfung von optischen Flächen. U elektrische Spannung.

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