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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Messung großer Distanzen: Neues interferometrisches Primärnormal fertiggestellt und in Messkampagnen erprobt

17.11.2021

Die Rückführbarkeit der Messergebnisse von Distanzen von einigen hundert Metern bis zu einigen Kilometern mit relativen Unsicherheiten von deutlich besser als u = 1 ∙ 10 -6 (ein Millimeter pro Kilometer) ist eine große Herausforderung. Insbesondere die Kompensation des Einflusses der Luftbrechzahl auf die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts limitiert die erreichbare Genauigkeit. Dafür werden nach dem klassischen Ansatz Temperatur, Luftdruck und relative Feuchte entlang der gesamten Messstrecke mit entsprechenden Sensoren gemessen und daraus mit Hilfe von empirischen Formeln die Luftbrechzahl bestimmt. Dies führt insbesondere bei größeren Distanzen zu einem hohen messtechnischen Aufwand. Alternativ bieten sich Verfahren an, mit denen sich der Einfluss der Luftbrechzahl mittels lichtbasierter Messungen parallel zur Distanzmessung in situ über die gesamte Strecke kompensieren lässt. Die PTB verfolgt hierfür die Zweifarben-Methode [1] unter Nutzung von zwei weit auseinander liegenden Lichtwellenlängen.

Dieses Prinzip ist von der PTB in der Vergangenheit bereits erfolgreich demonstriert worden [2]. Im Rahmen des europäischen Forschungsprojekts „Large-scale dimensional measurements for geodesy“ (18SIB01, GeoMetre) entwickelt die PTB derzeit ein System mit einer Reichweite von bis zu fünf Kilometern, das auch abseits stabiler Laborbedingungen über längere Zeit robust funktionieren soll. Solche längeren Distanzen sind insbesondere für die Verifikation GPS-basierter Distanzmessverfahren von großem Interesse. Dafür wurde in Kooperation mit einem industriellen Partner eine spezielle achromatische Optik konzipiert und gefertigt. Bei der Auslegung des mechanischen Systems wurde vom wissenschaftlichen Gerätebau der PTB große Sorgfalt auf thermische Stabilität und Leichtbauweise gelegt. Für die Erreichung des ambitionierten Genauigkeitsziels des Gesamtsystems war die Einhaltung der engen Toleranzen in der Fertigung besonders wichtig. Dafür wurde die Fertigung und Montage der Komponenten aufwendig mit einer Koordinatenmessmaschine überwacht [3]. Für die Lichtquelle wurde eine auf aktueller FPGA-Technologie (Xilinx Kintex-7 Familie) sowie Transceiver-Einheit basierende Laserstabilisierung entwickelt. Zudem wurde eine aus zwei Nd:YAG-Festkörperlasern und acht Modulatoreinheiten bestehende Strahlquelle aufgebaut, wobei durch den Einsatz von faserbasierten Komponenten ein hohes Maß an Robustheit angestrebt wird.

Im Juli dieses Jahres konnte das System fertiggestellt werden. Nach erfolgreichen Testmessungen im Labor und auf dem 50 m-Interferenzkomparator der PTB wurde es erfolgreich „in die Außenwelt entlassen“. Messkampagnen auf der 600 m-Basisstrecke der PTB, der internationalen Referenzstrecke für Hochleistungsdistanzmessgeräte in Nummela, Finnland, und schließlich die Rückführung wichtiger Teilstrecken des Referenznetzwerks einer geodätischen Satellitenstation in Metsähovi, Finnland, wurden erfolgreich durchgeführt. Dabei konnte das Instrument die angestrebte Widerstandsfähigkeit gegen äußere Einflüsse und seine strukturelle Langzeitstabilität unter Beweis stellen.

TeleYAG-II Interferometer aufgebaut auf einem Referenzpfeiler des Netzwerks der geodätischen Referenzstation Metsähovi in Finnland. Das Innere des Interferometerkopfes mit angedeutetem Strahlengang ist in einer kleineren Schemazeichnung angedeutet. Das System ist in zwei Ebenen aufgebaut.
Bild 1: Für Messungen unter Freiluftbedingungen entwickeltes Mehrwellenlängeninterferometer TeleYAG-II. Das kleine Schemabild zeigt den optischen Interferometeraufbau innerhalb des Systems (Lichtstrahlen sind in grün angedeutet).

 

Das EMPIR-Projekt wird von den teilnehmenden Staaten und dem Horizon 2020 Forschungs- und Innovationsprogramm der europäischen Union kofinanziert.

 

Literatur

[1] K. B. Earnshaw and J. C. Owens 1967 “A dual wavelength optical distance measuring instrument which corrects for air density” IEEE J. Quantum Electron. QE-3, 544–550

[2] K. Meiners-Hagen, T. Meyer, J. Mildner, F. Pollinger 2017 “SI-traceable absolute distance measurement over more than 800 meters with sub-nanometer interferometry by two-color inline refractivity compensation” Appl. Phys. Lett. 111 191104

[3] F. Pilarski, F. Schmaljohann, S. Weinrich, J. Huismann, D. Truong, T. Meyer, P. Köchert, R. Schödel, F. Pollinger 2021 “Design and manufacture of a reference interferometer for long-range distance Metrology” Proc. Euspen’s 21st International Conference & Exhibition, Virtual Conference, 7-10, June, 511 - 512

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