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Beidseitig antastendes Interferometer zur absoluten Längenmessung von prismatischen Körpern ohne Anschub

01.12.2013

Bei diesem Interferometer wird die Länge einer freien endmaßartigen Probe gemessen, d.h. der Einfluss des Anschiebens der Endplatte auf die Länge entfällt. Damit entfällt der begrenzende Term der Ansprengunsicherheit in der Messunsicherheitsbilanz, wodurch eine Reduzierung der Messunsicherheit erreicht werden kann.


Die abbildende Interferometrie ist die Methode zur Darstellung der Länge von prismatischen Körpern wie z.B. Endmaßen. Üblicherweise werden dafür Twyman-Green-Interferometer oder Kösters-Komparatoren verwendet [1]. Hierzu wird ein Endmaß an eine Platte aus möglichst gleichem Material angeschoben, um eine Stufe zwischen Probenvorderfläche und der Platte an der Rückfläche der Probe zu erzeugen, deren Höhe interferometrisch gemessen werden kann. Bei diesem traditionellen Verfahren wird in Kauf genommen, dass die Wechselwirkung zwischen der zu messenden Probe mit der Platte zu Deformationen der „Anschubfläche“ führt, die die Genauigkeit der Längenmessung begrenzen. Um Messungen an „freien“ Proben zu ermöglichen wird in der PTB ein neues Interferometer aufgebaut, das das gleichzeitige Messen beider Probenendflächen erlaubt. Dieses beidseitig antastende Interferometer ist im Vergleich zu einem aufgebauten Prototypen [2] in einer temperierbaren Vakuumkammer untergebracht, um stabile Messbedingungen zu schaffen.

Um ein gleichzeitiges Messen beider Probenendflächen zu ermöglichen, werden Strahlteilerplatten in einer Dreieckanordnung positioniert (Bild 1). Diese erlaubt es, getrennte Referenz- und Abbildungsarme für jede Probenseite zu verwenden und somit beide Probenendflächen gleichzeitig messen zu können. Die Wegdifferenz der an den beiden gegenüberliegenden Probenflächen reflektierten Strahlen zu den in beide Richtungen an der Probe vorbeilaufenden Strahlen wird in Form von Phasendifferenzen gemessen. Dafür wird die Methode des Phasenschiebens angewandt, bei dem piezogesteuerte Referenzspiegel schrittweise verschoben werden. Zur Bestimmung der absoluten Probenlänge wird außerdem die ganzzahlige Interferenzordnung benötigt, die über die Messung mit zwei verschiedenen Wellenlängen und eine anschließende Koinzidenzfindung gewonnen wird. Dies geschieht mit einem HeNe- und einem frequenzverdoppelten Nd:YAG-Laser, die jeweils iodstabilisiert sind und eine relative Unsicherheit bzgl. der Frequenz kleiner 10-11 aufweisen.

Der fertige Aufbau soll im Verlauf der weiteren Arbeiten um ein Temperaturmesssystem bestehend aus Pt-25 Widerstandsthermometer und Thermoelementen ergänzt werden. Zur Reduzierung der Messunsicherheit soll eine geeignete Korrektur der Wellenfrontaberrationen entwickelt und in die Auswertesoftware integriert werden.

[1] G. Bönsch, Automatic gauge block measurement by phase-stepping interferometry with three laser wavelengths, Proc. SPIE Vol. 4401:1-10, 2001

[2] A. Abdelaty, A. Walkov, P. Franke and R. Schödel. Challenges on double ended gauge block interferometry unveiled by the study of a prototype at PTB. Metrologia 49 307–314 (2012) doi:10.1088/0026-1394/49/3/307


Bild 1: Aufbau des beidseitig antastenden Interferometers