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Interferometrie an Maßverkörperungen Teil 2

PTB-Mitteilungen 2/2010

Diodenlaser für die interferentielle Längenmesstechnik

Ahmed Abou-Zeid

Die Entwicklung von Diodenlasern (Halbleiterlasern) wird hauptsächlich durch die Massenproduktion für Anwendungen wie z. B. in der Unterhaltungselektronik und der faseroptischen Nachrichtenübertragung sowie von Laserdruckern, Barcode Scannern u. v. m. stimuliert. Die Hauptkriterien für solche Anwendungen von Diodenlasern sind die emittierte optische Leistung, die Betriebszuverlässigkeit und der Preis. Dagegen war deren ultimative Frequenzstabilität weniger von Bedeutung. Dies erschwerte den Forschritt zur Fertigung spezieller Diodenlaser für interferometrische Anwendungen.

Diodenlaser stellen im Vergleich zu den meist in der interferentiellen Längenmesstechnik verwendeten He-Ne-Lasern eine interessante Alternative dar. Dies gilt insbesondere in Bezug auf Miniaturisierung, Lebensdauer, Kosten, Wirkungsgrad, Strahlungsleistung und hochspannungsfreiem Betrieb. Als nachteilig erweist sich bei Diodenlasern die Streuung der Emissionswellenlängen, die auch bei Dioden der gleichen Charge in einem Bereich von etwa 10 nm liegt. Außerdem ist die Emissionswellenlänge relativ stark von Parametern, wie der Temperatur der Diodenwärmesenke und des lnjektionsstroms abhängig. Andere Nachteile sind die spektrale Alterung der emittierten Wellenlänge, die relativ starke Rücklichtempfindlichkeit sowie das elliptische Strahlprofil. Diese Nachteile können durch geeignete Verfahren zur Frequenzstabilisierung sowie Verwendung zusätzlicher Optiken kompensiert werden, um von den vielen Vorteilen von Diodenlasern für den Einsatz in der interferentiellen Längenmesstechnik profitieren zu können.

Absolutlängen mittels Mehrwellenlängen-Diodenlaserinterferometrie

Florian Pollinger, Karl Meiners-Hagen, Ahmed Abou-Zeid

Die Messung von Längen in der Größenordnung von einigen bis hin zu einigen zehn Metern ist ein scheinbar alltägliches Problem. Verkörperte Längenmaße, also Maßbänder und -stäbe sind im Alltag routinemäßig genutzte Messmittel. Die Genauigkeit solcher Längenmessmittel ist aber offensichtlich beschränkt. Die exaktesten aus der Genauigkeitsklasse I erreichen eine Genauigkeit von ? (0,1 + 0,1 L/m) mm. Moderne Produktionsprozesse stellen ganz andere Anforderungen: Etwa im Flugzeugbau oder bei der Produktion moderner Windräder müssen Dimensionen von bis zu 100 m mit einer relativen Genauigkeit besser als 1 · 10–6 vermessen werden. Solche Distanzen werden üblicherweise mit optischen Methoden ermittelt. Klassisch werden dabei zwei verschiedene Verfahren verwendet: Zum einen Laufzeit-basierte Messmethoden, zum anderen zählende Interferometrie. Im ersten Fall wird aus der Laufzeit eines Lichtpulses oder der Phase einer Amplitudenmodulation des Lichts der Abstand berechnet. Die Genauigkeit ist vor allem durch die Zeit- bzw. die Phasenauflösung limitiert, was bei den besten, auf Modulation basierenden Geräten zu einem konstanten Fehler in der Größenordnung 0,1 mm führt. Eine relative Unsicherheit unter 1 · 10–5 auf den oben genannten Distanzen ist mit dieser Technik also nicht zu erreichen. Wesentlich präzisere Messungen sind mit konventioneller Interferometrie möglich, für die unter gut kontrollierten äußeren Bedingungen auf längeren Strecken routinemäßig Messunsicherheiten unter 1 · 10–7 erreicht werden. Die zu messende Strecke wird dabei mit einem Reflektor abgefahren und die Änderung des Interferenzsignals ausgelesen. Mit dieser Methode sind unter gut kontrollierten Bedingungen Distanzmessungen mit Nanometerauflösungen möglich. Allerdings erfordert eine solche Messung eine kontinuierliche mechanische Führung. Eine Unterbrechung derselben führt zum sofortigen Verlust der Information über die absolute Länge.

Brechzahlkompensation mittels Mehrwellenlängen-Interferometrie

Karl Meiners-Hagen, Florian Pollinger, Ahmed Abou-Zeid

Präzise Längenmessungen werden häufig mit optischen Messmethoden durchgeführt. Neben indirekten Verfahren wie z. B. der Triangulation werden Messverfahren eingesetzt, die direkt auf der Lichtgeschwindigkeit basieren. Wird die Länge über eine Laufzeitmessung des Lichts gemessen, ist die Lichtgeschwindigkeit c in Luft entscheidend, welche etwas kleiner als die Vakuumlichtgeschwindigkeit c0 ist: c = c0/n. Der Parameter n ist hierbei die Brechzahl der Luft. Bei interferometrischen Längenmessungen ist die Wellenlänge ? in Luft das Längenmaß. Zwischen Wellenlänge, Lichtgeschwindigkeit und der Frequenz ? des Lichts besteht die Beziehung ? = c/?. Die meisten in der Interferometrie verwendeten Laser sind in ihrer Frequenz stabilisiert. Die Wellenlänge ihres Lichts in Luft ist ? = ?0/n und damit kleiner als die Vakuumwellenlänge ?0. Ein Detail, auf das in diesem Artikel nicht weiter eingegangen werden soll, ist die Unterscheidung zwischen der Phasenbrechzahl, welche bei phasensensitiven Messungen wie der Interferometrie wirkt und der Gruppenbrechzahl, die die Laufzeit eines Wellenpakets mit verschiedenen Wellenlängen beschreibt. Diese ist bei Laufzeitmessungen mit gepulstem Licht entscheidend.

Interferometrische Kalibrierung von Strichmaßen, Laserinterferometern, und Entfernungsmessgeräten: Die Geodätische Basis der PTB

Martin Wedde, Karl Meiners-Hagen, Ahmed Abou-Zeid

In vielen Bereichen der Produktion werden heute immer höhere Fertigungsgenauigkeiten benötigt. Dafür werden entsprechend leistungsfähige Längenmesssysteme eingesetzt, die für eine gleich bleibende Messunsicherheit regelmäßig kalibriert, also auf die SI-Definition des Meters rückgeführt werden müssen. In der PTB werden verkörperte Längenmessmittel wie Strichmaße, aber auch moderne Entfernungsmessgeräte und Laserinterferometer auf der "Geodätischen Basis" kalibriert. In diesem Beitrag sollen sowohl die Ausrüstung der Basis, als auch die dort möglichen verschiedenen Kalibrierungen vorgestellt werden.

Femtosekundenlaserbasierendes Messsystem für geodätische Längen

Nicolae R. Doloca, Martin Wedde, Karl Meiners-Hagen, Ahmed Abou-Zeid

Die Genauigkeit von Abstandmessungen über lange Strecken (> 10 m bis hin zu einigen Kilometern) muss nach Ansicht der Metrologieinstitute in EURAMET deutlich verbessert werden. So benötigt zum Beispiel die Produktion großer Teile, wie in der Raumfahrtindustrie, hochpräzise Metrologie in Bereichen bis 100 m. Typische Lösungen, wie z. B. zur Vermessung von Tragflügelstrukturen, nutzen kommerziell erhältliche Systeme mit mehreren Lasertrackern. Diese Geräte sind üblicherweise nur bis etwa 30 m Entfernung ausgelegt. Eine andere wichtige Anwendung liegt in der Sicherung von nuklearen Endlagern. Um die Integrität des Lagergesteins für Atommüll abzusichern, sind hochgenaue Abstandmessungen über Langstrecken nötig um die Stabilität der Umgebung zu prüfen. Dafür werden Längenmessungen in freien Strecken über einige hunderte Meter bis einige Kilometer mit einer Messunsicherheit unter 0,1 ppm benötigt. Weiterhin besteht auch ein Bedarf an hochpräzisen, rückführbaren Längenmesstechniken über 100 m, um eine signifikante Lücke in der Kalibrierkette zu füllen. Zur Zeit gibt es keine hinreichende Möglichkeit zu verifizieren, ob die auf GPS basierenden Längenmessmittel die spezifizierte Detektionsgenauigkeit einhalten. In der GPS Technologie wird die Phasenverschiebung eines modulierten Signales über die zu messende Strecke ausgewertet, eine Methode, die eine Messunsicherheit von ca. 10–6 aufweist. Abstandmessungen mit GPS sind daher nicht direkt auf die SI-Definition des Meters rückführbar. Angesichts der rasant steigenden wirtschaftlichen Bedeutung solcher Messsysteme besteht jedoch die Notwendigkeit die angegebenen Messunsicherheiten verifizieren zu können.

"Altes" Material in "neuen" Bändern

Ingo Lohse, Michael Voigt

Die Materialanforderungen an verkörperte Längenmaße unter dem Blickwinkel der Europäischen Messgeräterichtlinie (MID) und der OIML R35 betrachtet

Die Anforderungen an verkörperte Längenmaße sind durch die Einführung der Europäischen Messgeräterichtlinie (MID) [1] und der Verabschiedung der OIML-Empfehlung R35 [2] auf eine neue Grundlage gestellt worden. Die alte EWG-Richtlinie 73/362/EWG vom 19. November 1973 wird durch die neue OIML R35 abgelöst, in der die technischen Anforderungen der alten EWG-Richtlinie jedoch weitestgehend wieder zu finden sind. Die Empfehlung macht z. B. eine konkrete Vorgabe zu den Strichbreiten auf den verkörperten Längenmaßen. In den Teilen 2 und 3, welche noch den Entwurfsstatus haben, wird das Verfahren zur Auswertung beschrieben. Durch die zeitlich unterschiedliche Verabschiedung der Europäischen Messgeräterichtlinie (MID) und der OIML R35 ist eine Implementierung dieser Empfehlung in die Mitteilung der Kommission im Rahmen der Umsetzung der MID (2006/ C 269/01) [3] noch nicht erfolgt. Dies bedeutet auch, dass die technischen und grundlegenden Anforderungen nicht eindeutig gegenüber gestellt und durch die Europäische Union beschlossen worden sind. Insbesondere vor dem Hintergrund der fehlenden Übernahme in die Mitteilung zur Umsetzung (2006/ C 269/01) stellt zum augenblicklichen Zeitpunkt die MID mit ihren Anforderungen eine Untermenge der OIML R35 dar.

Zulassung gestern, Zertifizierung heute

Ingo Lohse, Rudolf Mascherek, Ahmed Abou-Zeid

Die Messung der Länge ist neben der Massebestimmung eine der tragenden Säulen im amt­lichen und geschäftlichen Verkehr. Einheitliche Maße und Gewichte waren schon im Altertum die Grundlage für Aufstieg und Bestand der uns bekannten Großreiche. Bei den Ägyptern war man auf Längenmessungen angewiesen, die sich vergleichen lassen. Dazu benutzten diese so genannte Körpermaße wie z. B. Elle oder Fuß. Viele weitere Kulturen übernahmen die ägyptischen Längenmaße. In der Antike wurden dann auch andere Maße für die Länge wie z. B. Stadion (griechisch) und Meile eingeführt. Im 2. Jahrhundert n. Chr. galten 2200 Meter als gallische Meile (= Leuge, lat. Leuca), diese war in den gallischen und germanischen Provinzen des Römischen Reiches gültig. So entwickelten sich viele Längenmaße bis zum heutigen Meter, das seit 1875 mit dem Beitritt zur Internationalen Meterkonvention in Deutschland als einheitliches Längenmaß gilt.

Längenmessungen, die heutzutage als Basis für eine Preisermittlung dienen und somit dem amtlichen oder geschäftlichen Verkehr unterliegen, sind vielen von uns vertraut. Die einfachste Art dieser Messung kann mit einem Taschenbandmaß durchgeführt werden.