Absolutinterferometrie für geodätische Längen

Ziel des europäischen Forschungsprojekts „Absolute long distance measurement in air“ ist es, eine rückführbare Längenmessung auf Distanzen bis zu 1 km im Freien mit einer Messunsicherheit von 0,1 mm zu erreichen. Anwendungen sind die Rückführung von in der Geodäsie verwendeten GPS-Systemen oder klassischer Pfeilerstrecken. Durch die geringe Messunsicherheit wird es auch möglich, langsame Bodenbewegungen in kürzerer Zeit zu erfassen.

Das Projekt verfolgt drei verschiedene Ansätze:

i)            klassische Mehrwellenlängen-Interferometrie zur Längenmessung

ii)           den Einsatz von Femtosekunden-Frequenzkammlasern für laufzeitbasierte Längenmessungen und

iii)          neue Methoden zur genaueren Bestimmung der Luftbrechzahl, die besonders im Freien einen großen Anteil zur
              Messunsicherheit der Länge liefert.

Im Teil i) des Vorhabens wurde in der PTB ein neuartiges Mehrwellenlängen­Interferometer entwickelt, welches auf einem frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser als Lichtquelle basiert. Die verschiedenen Wellenlängen werden hierbei mittels akusto-optischer Modulatoren (AOM) erzeugt. Diese werden mit einem elektrischen Hochfrequenzsignal einer bestimmten Frequenz angesteuert und verschieben die Frequenz des durchtretenden Lichts um diesen Betrag.

Ein AOM der Frequenz 82 MHz erzeugt in diesem Mehrwellenlängen-Interferometer eine synthetische Wellenlänge von ca. 3,66 m Länge (c/80 MHz » 3,66 m, c - Lichtgeschwindigkeit), ein zweiter mit 1,7 GHz betriebener AOM eine synthetische Wellenlänge von ca. 176 mm. Der Eindeutigkeitsbereich dieses Interferometers beträgt die Hälfte der größeren synthetischen Wellenlänge (ca. 1,83 m). Der Vorwert der absoluten Länge muss demnach eine Unsicherheit von < 0,9 m besitzen. Die sich aus der großen synthetischen Wellenlänge (3,66 m) ergebende Länge dient wiederum als Vorwert zur Bestimmung der Interferenzordnung der kleineren synthetischen Wellenlänge (176 mm). Die Auswertung dieser Messungen liefert eine Länge, deren Messunsicherheit deutlich kleiner ist, da die erreichbare Messunsicherheit der synthetischen Wellenlänge proportional ist.

Der Längenmaßstab des Interferometers ist durch die AOM-Frequenzen eindeutig definiert, d.h. im Gegensatz zu sonst in der Interferometrie üblichen Laserlichtquellen ist es nicht notwendig die Emissionsfrequenz des Lasers selbst zu stabilisieren. Dies verringert den experimentellen Aufwand beträchtlich. Abb. 1. zeigt den Vergleich zwischen Mehrwellenlängen-Interferometer und He-Ne-Referenzsystem für eine Messstrecke von 50 m.

Zum Anschluss geodätischer Längen mit diesem Verfahren sind zunächst Messungen an verschiedenen europäischen Referenzstrecken geplant bevor die erneuerte PTB-Referenzstrecke (600 m) in Betrieb genommen wird.

Abb. 1: In der Abbildung ist die Differenz zwischen den Ergebnissen des Mehrwellenlängen-Interferometers (L) und eines klassischen HeNe-Lasers (L_ref) bis zu einer Länge von 50 m dargestellt. Die Standardabweichung der Differenz beträgt 35 µm bei einer Mittelungszeit des Mehrwellenlängen-Interferometers von 25 ms.