Verschiebungsmessungen mit einem Michelson-Interferometer
Ein Michelson-Interferometer ist ein optisches Instrument, das die Interferenz von Licht nutzt, um Relativverschiebungen mit hoher Auflösung zu messen. In einer minimalistischen Version benötigt ein solches Instrument nur wenige Komponenten:
- eine kohärente Lichtquelle; monochromatisches Licht mit konstanter Phase,
- ein Mittel zur Aufteilung des erzeugten Lichts, häufig ein Strahlteiler und
- zwei Spiegel.
Genauer gesagt, wird das kohärente Licht zunächst am Strahlteiler in zwei Strahlen aufgeteilt. Ein Teil wird an einem festen Referenzspiegel reflektiert, während der andere Teil auf den Zielspiegel trifft. Anschließend werden beide reflektierten Strahlen zurück zum Strahlteiler geleitet, wo es zur Interferenz kommt. Die Interferenz wird durch die Überlagerung der beiden Strahlenintensitäten erzeugt, was zu einem sinusförmig modulierten Signal mit einer Periodizität führt, die der halben Wellenlänge der kohärenten Lichtquelle entspricht. Bei der Projektion auf einen Bildschirm kann man das charakteristische ringförmige Interferenzmuster beobachten.
Wenn die Amplitude des Interferenzsignals maximal ist, tritt konstruktive Interferenz auf und beide Strahlen sind gleichphasig, während destruktive Interferenz auftritt, wenn die Amplitude des Interferenzsignals Null ist und beide Strahlen phasenverschoben sind. Die Phaseninformation, in der das Interferenzsignal kodiert ist, hängt von der optischen Weglängendifferenz zwischen dem am Referenzspiegel und dem Zielspiegel reflektierten Strahl ab. Wenn die Weglängendifferenz gleich Null ist, d. h. wenn der Abstand zwischen Strahlteiler und den beiden Spiegeln identisch ist, sind die Signale gleichphasig und es entsteht konstruktive Interferenz. Sobald der Zielspiegel bewegt wird, ändert sich die Weglänge, und es kommt zu einer Abfolge von konstruktiver und destruktiver Interferenz. Die Änderung der Intensität des Interferenzsignals kann mit einem Fotodetektor beobachtet werden, der einen Stromfluss erzeugt, der proportional zur einfallenden Leistung ist. Elektronische Schaltungen werden dann verwendet, um die Stromänderung von der Fotodiode in ein sauberes Signal zu filtern oder zu verarbeiten. Die folgende Animation zeigt eine vereinfachte Version der Intensität dieses Signals, die der Bewegung des Spiegels entspricht.
Quadratur Detektion
Die oben beschriebene Konstruktion weist zwei große Schwachstellen auf. Erstens kann die Richtung der Bewegung nicht aus dem Interferenzsignal extrahiert werden, da Vorwärts- und Rückwärtsbewegungen eine identische Intensitätsänderung bewirken. Zweitens ist die Empfindlichkeit der Methode inkonsistent. An den Nulldurchgängen ist die Empfindlichkeit maximal, während sie an den Extrema minimal ist. Kleine Verschiebungen führen zu verschwindend geringen Intensitätsänderungen, was für die elektronische Schaltung eine Herausforderung darstellt, diese richtig zu erfassen.
Beide Mängel können überwunden werden, indem nicht ein Interferenzsignal, sondern zwei Interferenzsignale mit 90° Phasenverschiebung oder in Quadratur vorliegen. Diese Quadratursignale können als Kreis oder Lissajous-Figur dargestellt werden, wenn sie gegeneinander aufgetragen werden, und die Verschiebung kann dann durch Berechnung der momentanen Phase ermittelt werden. Dieses Phasensignal hat dann eine konstante Empfindlichkeit, ermöglicht aber, was noch wichtiger ist, die Bestimmung der Bewegungsrichtung. Nimmt die Phase zu, so vergrößert sich der Längenunterschied zwischen Referenz- und Zielspiegel. Verringert sich die Phase, driften sie auseinander.
Ein Signal in Quadratur zu erhalten, kann auf verschiedene Weise erreicht werden. Oftmals sind dafür zusätzliche Komponenten erforderlich, was sich sowohl auf die Kompaktheit als auch auf die Kosten nachteilig auswirkt. Bei SmarAct verwenden wir die modernste Technik, die Strommodulation der Lichtquelle. Kurz gesagt bewirkt die Modulation der Laserquelle mit der Frequenz f, dass das Interferenzsignal Oberwellen der Modulationsfrequenz enthält: f, 2f, 3f, 4f usw. Ein Paar von Oberwellen, wie f und 2f, ist von Natur aus um 90° phasenverschoben, was bedeutet, dass selbst mit einem einzigen Fotodetektor, aber einer speziellen Signalverarbeitung, die gewünschten Komponenten extrahiert werden können. Nach der Extraktion werden diese Signale in ein Field Programmable Array (FPGA) digitalisiert, das die entsprechende Phase und damit die Verschiebung berechnen kann.
