Influence of parasitic light modes on interferometric length measurements

Im Rahmen der Inbetriebnahme eines neuen I₂-stabilisierten NdYAG-Lasers wurden unerwartet große Abweichungen gemessener Längen von bis zu relativ 10^-7 festgestellt, die keinesfalls durch eine fehlerhafte Laserfrequenz hervorgerufen sein konnten (die Laserfrequenz wurde in der PTB auf einem relativen Niveau von10⁻¹² kalibriert). Der Fehler zeigte zudem ein unspezifisches Verhalten in Bezug auf verschiedene Endmaße, deren genaue Längen zuvor mittels anderer Lichtquellen zweifelsfrei bestimmt wurden. Nachdem alle „gängigen“ Fehlerquellen ausgeschlossen waren, stellte sich heraus, dass der Fehler von den Betriebsbedingungen (Arbeitspunkt) des Lasers abhängt. Letztlich konnten parasitäre Lasermoden zweifelsfrei als Ursache identifiziert werden.

Diesem, in der Vergangenheit wenig Aufmerksamkeit gewidmeten Effekt, geht die Veröffentlichung (siehe https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1681-7575/aaf480) auf den Grund, die in diesem Jahr erschienen ist. Ausgehend von der Existenz einer parasitären Lasermode, deren Frequenz sich etwas von derer der Hauptmode unterscheidet, wird, basierend auf einem Modell für 4-Strahl-Interferenz, der Zusammenhang zwischen dem Längenfehler und dem Intensitätsverhältnis der Haupt- zur parasitären Mode, η, anschaulich hergeleitet. Demnach handelt es sich um einen periodischen Fehler, dessen Intervall der halben synthetischen Wellenlänge aus Haupt- und parasitärer Mode entspricht. Für den maximalen Fehler bei einer Längenmessung wurde eine Faustformel entwickelt, die für η > 2 eine gute Näherung darstellt:

        (λ_main : Wellenlänge der Hauptmode)

Basierend darauf müssen, hinsichtlich des Anteils parasitärer Moden, neue Anforderungen an Lichtquellen gestellt werden, die für hochgenaue Längenmessungen eingesetzt werden.