Interferometrische Absolutlängenmessung mit in-situ Rückführung über hochauflösende Spektroskopie demonstriert

Eine robuste und flexible interferentielle, absolute Längenmessung mit einer Reichweite von einigen zehn Metern würde in der Präzisionsmesstechnik eine Vielzahl von Möglichkeiten eröffnen, z.B. bei der präzisen Positionierung von Bohrlöchern auf großen Bauteilen. Ein häufig diskutierter Ansatz basiert auf Frequenzmodulation der Laserquelle. Dabei wird bei ortsfestem Reflektor die Frequenz eines Messstrahls in einer klassischen Interferometeranordnung über einen festen, messbaren Frequenzbereich verändert. Aus der dabei beobachteten Phasenänderung lässt sich über eine einfache lineare Beziehung die Absolutlänge berechnen.

In der Praxis ist die erreichbare Unsicherheit dieses Verfahrens durch die Genauigkeit der Messung des Frequenzhubs limitiert. Frequenzmessungen über verkörperte Normale, wie Fabry-Perot Interferometer oder Referenzinterferometer mit kalibrierten Längen, sind außerhalb vollklimatisierter Laboratorien unzureichend stabil. In einem von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) geförderten Projekt wurde ein Absolutinterferometer realisiert, welches auf höchstauflösende Spektroskopie von Jodübergängen zur Rückführung des Frequenzhubs zurückgreift. Dafür wird mit dem modulierten Strahl simultan zur interferometrischen Distanzmessung eine Standard Jodzelle spektroskopiert. Die aus der Literatur bekannten detektierten Übergänge können dann als Frequenzmarker verwendet werden. In dem Demonstrationsexperiment werden mit dem modulierten Laser bei 637 nm über 290 Linien detektiert. Für die korrekte Zuordnung wurde ein umfangreicher Algorithmus zur Linearisierung und Rauschunterdrückung entwickelt.

Das System wurde auf der Geodätischen Basis der PTB gegen das Nationale Normal verglichen, einem klassisch zählenden HeNe Interferometer. Messungen bis ca. 40 m konnten erfolgreich demonstriert werden. In Bild 1 sind die Ergebnisse von Messungen über einen Meter bei einer Absolutdistanz von etwa 2 m dargestellt. Die verbleibende Messunsicherheit von ca. √((2,5 µm)² + (1 × 10^-6)²) kann mit nachgewiesenem Polarisationsübersprechen im Interferometerkopf sowie durch die Frequenzstabilität der verwendeten Laserquelle unter Modulation erklärt werden. Die Frequenzzuordnung erfolgt mit einer relativen Unsicherheit in der Größenordnung von 10^-10.

Das Projekt wurde von der DFG unter der Projektnummer PO1560/1-1 gefördert.

Bild 1: Abweichung der Messwerte von Referenzwerten für eine Distanz über einem Meter. Die roten Linien deuten die aus den Daten abgeleitete empirische Messunsicherheit an.