DE4403229A1

DE4403229A1 - Interferometric laser diagnosis method for esp. high powered laser

Info

Publication number: DE4403229A1
Application number: DE4403229A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl Ing Liesenhoff; Falk Dr Ruehl
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1994-02-03
Publication date: 1995-08-10
Anticipated expiration: 2014-02-04
Also published as: DE4403229C2

Abstract

The method involves superimposing the wave field of a laser signal beam (4) onto a reference beam (3) coupled out of the laser beam. For the diagnosis of a multimode laser beam, a frequency filtered wave field with a definite phase front is formed from the reference beam. A frequency shift of the reference beam w.r.t. the signal beam is set up. The reference beam is shifted so that there is a fixed frequency difference between the individual modes and the frequency filtered reference beam. The reference and signal beams are superimposed so that they interfere and the interferences are detected with position resolution.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur interferometrischen Laserstrahl diagnostik, bei dem einem Wellenfeld eines Laserstrahls, der den Signal strahl bildet, ein aus dem Laserstrahl ausgekoppelter Referenzstrahl überlagert wird.The invention relates to a method for interferometric laser beam diagnostics, in which a wave field of a laser beam, the signal forms a reference beam coupled out of the laser beam is superimposed.

Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur interferometrischen Laserstrahldiagnostik, bei der mittels Strahlteiler aus dem Laserstrahl, der den Signalstrahl bildet, ein Referenzstrahl ausgekoppelt wird und der Referenzstrahl dem Signalstrahl überlagert wird.The invention further relates to a device for interferometric Laser beam diagnostics, in which beam splitters from the laser beam which forms the signal beam, a reference beam is coupled out and Reference beam is superimposed on the signal beam.

Die Entwicklung von Hochleistungslasern, insbesondere von Hochlei stungs-CO₂-Lasern und insbesondere im Bereich der Materialbearbeitung, geht zu höheren Laserleistungen hin. Um die Laserleistung zu erhöhen, werden immer größere Resonatorquerschnitte gewählt, die allerdings mit einem Ansteigen der oszillierenden axialen oder transversalen Eigenmoden höherer Ordnung verbunden sind, die wiederum die Strahlqualität negativ beeinflussen. The development of high-power lasers, especially high-performance lasers stungs-CO₂ lasers and especially in the field of material processing, goes to higher laser powers. To increase the laser power, ever larger resonator cross sections are selected, but with an increase in the oscillating axial or transverse eigenmodes higher order, which in turn negatively affects the beam quality influence.

Aus den vorstehenden Gründen wird ein Schwerpunkt der Entwicklung von Hochleistungslasern auf die Entwicklung von Resonatoren mit großem Volu men gerichtet, die mit Moden niedriger Ordnung oszillieren. Zur Beurtei lung der Laserstrahlung solcher Laser ist eine genaue Analyse des durch die jeweilige Resonatorkonfiguration erzeugten Laserstrahls erforderlich. Von besonderem Interesse ist hierbei das zeitliche Verhalten der räumli chen Phasen- und Amplitudenverteilung einzelner Resonatoreigenmoden sowie das Frequenzverhalten der Moden. Aufgrund solcher Analysen können Rück schlüsse auf die Modelle zur Resonatorberechnung und die Berechnung der Oberfläche von Resonatorspiegeln, die der Generierung ausgezeichneter Strahlverteilungen dienen, gezogen werden.For the above reasons, a focus of the development of High power lasers on the development of resonators with large volu men who oscillate with low order modes. To the appraisal The laser radiation of such lasers is a precise analysis of the the respective resonator configuration generated laser beam required. The temporal behavior of the raumli is of particular interest Chen phase and amplitude distribution of individual resonator modes and the frequency behavior of the modes. Based on such analyzes, re conclude the models for the resonator calculation and the calculation of the Surface of resonator mirrors, the generation of excellent Beam distributions serve to be drawn.

Meßverfahren, die heute zur Laserdiagnostik bekannt und üblich sind, beschränken sich auf die Messung der Leistungsdichteverteilung im Strahl querschnitt. Die modenspezifische Phasenverteilung des diagnostizierten Laserstrahls geht dabei verloren.Measurement methods that are known and customary for laser diagnostics today are limited to the measurement of the power density distribution in the beam cross-section. The fashion-specific phase distribution of the diagnosed The laser beam is lost.

Es besteht die Möglichkeit, in einem Multimode-Laserstrahl die Eigenmoden interferometrisch zu trennen. Hierzu können Farby-Perot-Interferometer eingesetzt werden. Andere bekannte interferometrische Verfahren sind nur Im Falle monofrequenter Laser geeignet, um eine konkrete Aussage über die Phasenverteilung im Laserstrahlquerschnitt zu liefern. In allen anderen Fällen, d. h. in multimode-angeregten Lasern, stellt die meßbare Phasen verteilung im Strahlquerschnitt eine Überlagerung der einzelnen Phasen fronten der beteiligten Eigenmoden dar. Bei derzeitigen Verfahren zur Laserstrahldiagnostik wird entweder ein kleiner Querschnittsflächenbe reich des Strahls durch ein sogenanntes "Pinhole", das mit einem pyro elektrischen Detektor verbunden ist, analysiert, oder es wird ein Diagnostikstrahl auf eine Detektoranordnung über einen Strahlaufteiler gerichtet. Eine mit diesen Detektoranordnungen verknüpfte Bildverarbei tung führt zu einer Bestimmungsmöglichkeit des Intensitätsprofils und der Berechnung des Strahlradius. There is the possibility of using the eigenmodes in a multimode laser beam to separate interferometrically. This can be done using Farby-Perot interferometers be used. Other known interferometric methods are only In the case of monofrequency lasers suitable to make a concrete statement about the To deliver phase distribution in the laser beam cross section. In everyone else Cases, d. H. in multimode excited lasers, provides the measurable phases distribution in the beam cross-section an overlay of the individual phases fronts of the eigenmodes involved. In current methods for Laser beam diagnostics is either a small cross-sectional area range of the beam through a so-called "pinhole", which with a pyro electrical detector is connected, analyzed, or it becomes a Diagnostic beam on a detector arrangement via a beam splitter directed. Image processing associated with these detector arrays tion leads to a possibility of determining the intensity profile and the Calculation of the jet radius.

Die vorliegende Erfindung geht von einer solchen interferometrischen Laserstrahldiagnostik aus, wie sie z. B. durch ein Mach-Zehnder-Interfero meter möglich ist. In einem solchen Mach-Zehnder-Interferometer wird ein eintreffender Laserstrahl an einem Strahlteiler in zwei Teilstrahlen, den Signalstrahl und den Referenzstrahl, unterteilt, die unterschiedliche optische Weglängen durchlaufen und an einem zweiten Strahlteiler wieder vereinigt werden. Je nach der optischen Wegdifferenz der beiden Teil strahlen kommt es zu einer Interferenz. Das Interferenzmuster wird an einem Detektor analysiert. Solche Mach-Zehnder-Interferometer werden in der Spektroskopie u. a. zur Messung von optischen Dichten eingesetzt, wobei in dem Signalstrahl eine zu bestimmende Probe angeordnet wird, während in dem Referenzstrahl eine Referenzprobe mit bekannten Eigen schaften plaziert wird.The present invention is based on such an interferometric Laser beam diagnostics from how z. B. by a Mach-Zehnder interfero meter is possible. In such a Mach-Zehnder interferometer, a incoming laser beam on a beam splitter in two partial beams, the Signal beam and the reference beam, divided, the different optical path lengths and again on a second beam splitter be united. Depending on the optical path difference of the two parts radiation there is interference. The interference pattern turns on analyzed by a detector. Such Mach-Zehnder interferometers are used in the spectroscopy u. a. used to measure optical densities, a sample to be determined being arranged in the signal beam, while in the reference beam a reference sample with known eigen is placed.

Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik liegt der vor liegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrich tung zur interferometrischen Laserdiagnostik anzugeben, mit denen eine Analyse der räumlichen Verteilung der Phase und der Amplitude der einzel nen Frequenzanteile im Querschnitt eines Wellenfelds, das von einem La ser, insbesondere von einem Hochleistungslaser, erzeugt wird, ermöglicht wird.Based on the above-mentioned prior art, this is available underlying invention the task of a method and a Vorrich Interferometric laser diagnostics with which a Analysis of the spatial distribution of the phase and the amplitude of the individual NEN frequency components in the cross section of a wave field, which from a La water, in particular generated by a high-power laser becomes.

Die vorstehende Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs beschriebenen Stand der Technik, verfahrensgemäß dadurch gelöst, daß zur Diagnostik von Multimode-Laserstrahlung aus dem Referenzstrahl ein frequenzgefiltertes Wellenfeld mit definierter Phasenfront gebildet wird, daß eine Frequenz verschiebung des Referenzstrahls gegen die Frequenz des Signalstrahls eingestellt wird, daß der Referenzstrahl derart verschoben wird, daß eine feste Differenzfrequenz zwischen den einzelnen Moden und dem frequenzge filterten Referenzstrahl eingestellt wird, daß der Referenzstrahl und der Signalstrahl derart überlagert werden, daß sie interferieren, und daß die gebildeten Interferenzen ortsaufgelöst erfaßt werden. The above task is based on that described above State of the art, solved according to the method in that for the diagnosis of Multimode laser radiation from the reference beam a frequency filtered Wave field with a defined phase front is formed that a frequency displacement of the reference beam against the frequency of the signal beam is set so that the reference beam is shifted such that a fixed difference frequency between the individual modes and the frequenzge filtered reference beam is set that the reference beam and the Signal beam are superimposed so that they interfere, and that the Interferences formed are detected in a spatially resolved manner.

Vorrichtungsgemäß wird die Erfindung dadurch gelöst, daß in den Strahlen gang des Referenzstrahls eine Blende eingefügt ist, die an einer Ver schiebeeinrichtung in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse verschiebbar gehalten ist, daß in den Strahlengang des Referenzstrahls vor der Überla gerung mit dem Signalstrahl ein Raumfilter zur Filterung einer Ortsfre quenz und damit Generation einer Welle mit definierter Phasenfront eingesetzt ist und daß in den Referenzstrahl und/oder den Signalstrahl ein frequenzverschiebendes Element eingefügt ist.According to the device, the invention is achieved in that in the rays Aisle of the reference beam is inserted, which is connected to a ver sliding device displaceable in a plane perpendicular to the beam axis is held that in the beam path of the reference beam in front of the overload With the signal beam, a spatial filter for filtering a local frequency quenz and thus generation of a wave with a defined phase front is inserted and that in the reference beam and / or the signal beam a frequency-shifting element is inserted.

Mit dem angegebenen interferometrischen Verfahren bzw. der entsprechenden Vorrichtung wird die Referenzwelle an Frequenzen der Signalwelle gekop pelt und mit einzelnen Frequenzen synchronisiert. Durch diese Maßnahme wird ermöglicht, frequenzselektiv ein durch Überlagerung mehrerer opti scher Frequenzen zusammengesetztes Wellenfeld, insbesondere eines Multi mode-Laserstrahls, zu untersuchen. Mit den angegebenen Maßnahmen kann die räumliche Verteilung der Phase und der Amplitude der einzelnen Frequenz anteile im Querschnitt des Wellenfelds direkt gemessen werden. Die inter ferometrische Messung ist so modifiziert, daß aus dem Laserstrahl, der analysiert werden soll, eine oder mehrere dominante Eigenmoden selektiert und in eine annähernd monofrequente Referenzphasenfront transformiert werden. Mit einer frequenzverschiebenden Maßnahme, wozu vorzugsweise ein frequenzverschiebendes, optisches Element eingesetzt wird, läßt sich die Frequenz der Referenzwelle variieren. Durch eine Detektor- und Regelelek tronik kann die Referenzwelle in ihrer Frequenz auf einzelne Eigenmoden frequenzen im Signalstrahl abgestimmt und synchronisiert werden, so daß zeitlich stabile Interferenzen zwischen Referenzstrahl und dem jeweiligen Eigenmode entstehen, die dann ortsaufgelöst erfaßt werden, beispielsweise in einer bevorzugten Anordnung mit einer Kamera. Durch Einstellung der Frequenzsynchronisation der Referenzwelle derart, daß die Differenz zwi schen Referenzfrequenz und der Frequenz des zu beobachtenden Eigenmodes auf eine wählbare Zwischenfrequenz abgestimmt ist, kann die vorstehend beschriebene interferometrische Messung sowohl im Homodyn-Betrieb auch im Heterodyn-Betrieb durchgeführt werden. Im Heterodyn-Betrieb kann die Aufnahme der mit solchen Zwischenfrequenzen zeitlich modulierten Inter ferenzen mit Hilfe eines ortsfesten Referenzdetektors und eines abtasten den Aufnahmedetektors mit der entsprechenden elektronischen Ansteuerung vorgenommen werden.With the specified interferometric method or the corresponding The reference wave is coupled to the frequencies of the signal wave pelt and synchronized with individual frequencies. By this measure is made possible to select one frequency by superimposing several opti sher frequencies composite wave field, especially a multi mode laser beam. With the specified measures, the spatial distribution of the phase and the amplitude of the individual frequency proportions in the cross-section of the wave field can be measured directly. The inter Ferometric measurement is modified so that from the laser beam should be analyzed, one or more dominant eigenmodes selected and transformed into an approximately monofrequency reference phase front become. With a frequency-shifting measure, preferably a frequency-shifting optical element is used, the Frequency of the reference wave vary. Through a detector and control electronics tronics can set the frequency of the reference wave to individual eigenmodes frequencies in the signal beam are tuned and synchronized so that Interference between the reference beam and the respective one that is stable over time Eigenmode arise, which are then recorded in a spatially resolved manner, for example in a preferred arrangement with a camera. By setting the Frequency synchronization of the reference wave such that the difference between the reference frequency and the frequency of the eigenmode to be observed is tuned to a selectable intermediate frequency, the above Interferometric measurement described both in homodyne mode and in Heterodyne operation can be performed. In heterodyne mode, the Recording of the intermodulated time with such intermediate frequencies Reference with the help of a fixed reference detector and a scanning the recording detector with the corresponding electronic control be made.

Grundsätzlich lassen sich in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfah ren und der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber dem Stand der Technik insbesondere die folgenden Vorteile hervorheben:Basically, in connection with the inventive method ren and the device according to the invention compared to the prior art especially highlight the following advantages:

- A multimode laser beam is both in terms of phase and also with regard to the amplitude distribution of the individual superimpositions th, monofrequency eigenmode components over the beam cross-section avoidable.
- Separate from the existing eigenmodes for each eigenmode, Interference patterns are generated and detected.
- The possibility of tuning the frequency of the reference wave to the individual eigenmode frequencies and the stability of the synchronization with them, the interferograms generated can be recorded with a camera; this is an observation of temporal influences possible on the beam in online mode.
- The tunable and frequency-coupled reference wave reduces the electronic structure for the investigation of influences on the fashions frequencies, since the interpretation of the frequency bandwidth of the detector and Measuring electronics are limited to a single intermediate frequency to which the mode frequencies can be converted.

Bevorzugt wird das eingangs angegebene Verfahren derart durchgeführt, daß der Referenzstrahl, der verschoben wird, an einzelne Modenfrequenzen in dem Signalstrahl gekoppelt wird. Dies ist insbesondere dann erforderlich, wenn das Verfahren im Homodyn-Betrieb durchgeführt wird bzw. ein entspre chendes Interferometer im Homodyn-Betrieb betrieben wird, wozu eine abso lute Synchronistaion der Referenzfrequenz mit den einzelnen Modenfrequen zen erforderlich ist, so daß dann die Aufnahme des Interferenzmusters mit einer Kamera aufgezeichnet werden kann. Hierdurch ergibt sich ein sehr schneller Meßablauf im Rahmen von Online-Messungen. Alleine durch eine Beobachtung des Interferenzmusters kann bereits eine Information über den jeweils vorhandenen Mode erhalten werden.The method stated at the outset is preferably carried out in such a way that the reference beam that is shifted to individual mode frequencies in the signal beam is coupled. This is particularly necessary if the procedure is carried out in homodyne mode or if one corresponds interferometer is operated in homodyne mode, for which an abs lute synchronization of the reference frequency with the individual mode frequencies zen is required so that the recording of the interference pattern with can be recorded on a camera. This results in a very Fast measurement process as part of online measurements. Alone by one Observation of the interference pattern can already provide information about the existing fashion can be preserved.

Durch Verwendung eines monofrequenten Wellenfelds als frequenzgefiltertes Wellenfeld kann sichergestellt werden, daß die Interferenzstrukturen auf ein und dasselbe Referenzwellenfeld bezogen werden können.By using a monofrequency wave field as a frequency filtered Wave field can be ensured that the interference structures on one and the same reference wave field can be obtained.

Bevorzugt wird der frequenzgefilterte, an eine der Modenfrequenzen in dem Signalstrahl gekoppelte Referenzstrahl mit der jeweiligen Modenfrequenz so synchronisiert, daß zeitlich stabile Interferenzen entstehen. Zur Erzeugung von zeitlich stabilen Interferenzen aus dem Signalstrahl wird in einer bevorzugten Verfahrensmaßnahme aus dem Signalstrahl ein Teil strahl ausgekoppelt und es werden in dem Teilstrahl Modenschwebungsfre quenzen zwischen den einzelnen Modenfrequenzen erfaßt. Die erfaßten Mo denschwebungsfrequenzen können dann als Regelsignale zur Verschiebung der Frequenz des Referenzstrahls herangezogen werden und damit als Regelsig nale zur Einstellung einer festen Differenzfrequenz zwischen Referenz strahl und Signalstrahl verwendet werden. Nach Erzeugung einer der zeit lich stabilen Interferenzen wird der Referenzstrahl oder Signalstrahl gegen den jeweils anderen Strahl verschoben und die dadurch gebildeten phasenverschobenen Interferenzbilder werden ortsaufgelöst erfaßt.The frequency-filtered one is preferred at one of the mode frequencies in the Signal beam coupled reference beam with the respective mode frequency so synchronized that stable interference occurs. For Generation of stable interference from the signal beam is in a preferred procedural measure, part of the signal beam beam is decoupled and there are mode beats in the partial beam sequences between the individual mode frequencies recorded. The captured mo The beat frequencies can then be used as control signals to shift the Frequency of the reference beam are used and thus as a regular signal nale for setting a fixed difference frequency between reference beam and signal beam can be used. After generating one of the times The reference beam or signal beam becomes stable interference shifted against the other beam and the resulting phase-shifted interference images are recorded in a spatially resolved manner.

In einer verfahrensgemäß bzw. konstruktiv einfachen Ausführung wird das frequenzgefilterte Wellenfeld durch geeignete Positionierung einer Blende im Strahlengang quer zur Strahlrichtung gebildet oder der Strahl seiner seits geeignet auf der Blende verschoben, wobei im Rahmen dieser Verfah rensweise auf der dem Strahl zugewandten Seite der Blende der Strahl sichtbar gemacht wird und so die Positionierung der Blende optisch über wacht werden kann. This is done in a process-related or constructively simple embodiment frequency-filtered wave field by suitable positioning of an aperture formed in the beam path transverse to the beam direction or the beam of it suitably shifted on the faceplate, with this procedure the beam on the side of the diaphragm facing the beam is made visible and thus the positioning of the aperture optically can be watched.

Vorrichtungsgemäß wird in vorteilhafter Weise als frequenzverschiebendes Element ein akustooptisches Element eingesetzt. Ein solches frequenzver schiebendes Element soll in der interferometrischen Vorrichtung vor dem Raumfilter eingesetzt werden. Aufgrund der höheren Intensität des Strahls an dieser Stelle wird die Positionierung nachfolgender optischer Elemente erleichtert, wobei diese Maßnahme besondere Vorteile für schwache, selek tierte Moden mit sich bringt.The device is advantageously used as a frequency shift Element used an acousto-optical element. Such a frequency ver pushing element should in the interferometric device before Room filters are used. Because of the higher intensity of the beam at this point the positioning of subsequent optical elements facilitated, this measure being particularly advantageous for weak, selective tied fashions.

In einer weiteren bevorzugten Anordnung wird in den Signalzweig ein Strahlteiler eingesetzt und der aus dem Strahlteiler ausgekoppelte Strahl auf einen Detektor zugeführt; mit einem solchen Detektor können die Mo denschwebungsfrequenzen zwischen den einzelnen Modenfrequenzen erfaßt werden. In einer weiteren Ausbildung der Vorrichtung werden diese Moden schwebungsfrequenzen zwischen den einzelnen Modenfrequenzen erfaßt und als Eingangssignale einem Frequenz-Regelkreis zugeführt, der die Sollwer te mit den Istwerten der Anregungsfrequenz des akustooptischen Elements vergleicht und aufgrund von Regelabweichungen Signale bildet und diese Signale einer Ansteuereinrichtung des akustooptischen Elements als Regel signale zuführt.In a further preferred arrangement, one is in the signal branch Beam splitter used and the beam coupled out of the beam splitter fed to a detector; with such a detector, the Mo beat frequencies between the individual mode frequencies detected become. In a further embodiment of the device, these modes beat frequencies between the individual mode frequencies detected and fed as input signals to a frequency control loop, which the setpoint te with the actual values of the excitation frequency of the acousto-optical element compares and forms signals based on control deviations and these Signals of a control device of the acousto-optical element as a rule feeds signals.

In den Signalstrahl oder den Referenzstrahl kann eine optische Phasen schiebereinrichtung eingefügt werden, mit der die optische Weglänge des jeweiligen Strahls dynamisch verändert werden; hierdurch ist die Möglich keit gegeben, gegeneinander phasenverschobene Interferogramme zu erhal ten, aus denen die Phase des Ausgangsstrahls (überlagerter Signalstrahl und Referenzstrahl) ermittelt werden kann. In einer einfachen Anordnung wird die Phasenschiebereinrichtung aus reflektierenden Bauteilen aufge baut.An optical phase can be in the signal beam or the reference beam slide device are inserted with which the optical path length of the respective beam are changed dynamically; this makes it possible given the ability to obtain phase-shifted interferograms from which the phase of the output beam (superimposed signal beam and reference beam) can be determined. In a simple arrangement the phase shifter is made up of reflective components builds.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung sowie verschiedene physikali sche Grundlagen zur Durchführung des Verfahrens bzw. zum Aufbau einer interferometrischen Vorrichtung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeich nung zeigt: Further advantages and features of the invention as well as various physi basic principles for carrying out the process or for establishing a interferometric device result from the following Be Description of exemplary embodiments with reference to the drawing. In the drawing shows:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Interferometers zur Laser strahlanalyse im Homodyn-Betrieb, Fig. 1 is a schematic representation of the interferometer to the laser-ray analysis in the homodyne operation,

Fig. 2 verschiedene Frequenzspektren für einen Laserresonator mit drei oszillierenden Eigenmoden, Fig. 2 different frequency spectra for a laser resonator with three oscillating eigenmodes

Fig. 3A und 3B beispielhaft die Aufnahmen von Interferenzstrukturen, wie sie von einem TEM10*-Hybridmode eines Zweimode-Laserstrahls mit dem als referenzselektierten und frequenzverschobenen TEM00-Mode gebildet werden, wobei in der Fig. 2B gegenüber der Anordnung nach Fig. 1 der Referenzstrahl gegen den Signalstrahl verkippt wurde, Fig. 3A and 3B for example, the images of the interference structures as -Hybridmode be a two-mode laser beam with the reference selected and frequency shifted TEM00 mode formed by a TEM10 *, wherein in the Fig. 2B compared to the arrangement according to Fig. 1 of the reference beam has been tilted against the signal beam,

Fig. 4 den Aufbau eines Phaseninterferometers, der der Anordnung nach Fig. 2 entspricht, wobei Lichtwellenleiter zur Frequenzselek tion und Referenzphasenerzeugung eingesetzt werden, die an ein integriertes, optisches Element zur Frequenzverschiebung gekop pelt sind, Fig. 4 shows the structure of a Phaseninterferometers corresponding to the arrangement of FIG. 2, wherein the light waveguide tion to Frequenzselek and reference phase generation are used, which are pelt gekop to an integrated optical element for frequency shifting,

Fig. 5 ein schematisches Diagramm des Interferometers nach Fig. 1 für den Homodyn-Betrieb, Fig. 5 is a schematic diagram of the interferometer of FIG. 1 for homodyne operation,

Fig. 6 eine schematische Darstellung eines wesentlichen Teils einer Vorrichtung zur interferometrischen Laserstrahldiagnostik im Heterodyn-Betrieb unter Einsatz von zwei Detektoren, und Fig. 6 is a schematic view of an essential part of an apparatus for the interferometric laser diagnostics in the heterodyne operation using two detectors, and

Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Interferenzbildung in einem Heterodyn-Betrieb unter Verwendung der Detektoren, wie sie in Fig. 6 dargestellt sind. FIG. 7 shows a schematic illustration of interference formation in a heterodyne mode using the detectors as shown in FIG. 6.

Zunächst werden einige physikalische Grundlagen des erfindungsgemäßen interferometrischen Verfahrens und der Vorrichtung zur Laserstrahl diagnostik erläutert. First, some physical basics of the invention interferometric method and the device for laser beam diagnostics explained.

Das Prinzip der Interferometrie basiert auf der Erzeugung eines Inter ferenzmusters durch kohärente Überlagerung von zwei Wellenfeldern. Ein Laserstrahl wird hierbei meistens in zwei kohärente Teilstrahlen unter teilt, die als Referenzstrahl und als Test- oder Signalstrahl bezeichnet werden. Die beiden Teilstrahlen werden dann, nach Zurücklegen verschieden langer optischer Wege, zur Überlagerung gebracht und das Interferenz muster ausgewertet. In einem solchen Fall dient der Laserstrahl als ko härente Lichtquelle. In dem erfindungsgemäßen Verfahren bzw. der erfin dungsgemäßen Vorrichtung wird der Laserstrahl selbst diagnostiziert. Um die Phasenverteilung eines Laserstrahls bestimmen zu können, erfordert dies wiederum eine Referenzwelle einer bekannten Phasenfront. Im Falle eines Multimode-Laserstrahls ist das Ziel einer solchen Strahldiagnostik, ein für jeden einzelnen Mode charakteristisches Interferenzmuster zu erhalten. Würde man nur einen ausgeblendeten Signalstrahl einem Referenz strahl überlagern, wie dies beispielsweise durch ein übliches Shearing- Interferometer erfolgt, ergäbe sich ein Interferenzmuster, das aufgrund der Überlagerung und Mischung mehrerer Moden nicht auswertbar wäre.The principle of interferometry is based on the generation of an inter reference pattern by coherent superposition of two wave fields. A The laser beam is usually divided into two coherent beams shares that referred to as the reference beam and as a test or signal beam become. The two partial beams then become different after being replaced long optical paths, superimposed and that interference pattern evaluated. In such a case, the laser beam serves as ko inherent light source. In the method according to the invention or the invented The device according to the invention is itself diagnosed with the laser beam. Around To be able to determine the phase distribution of a laser beam requires this in turn is a reference wave of a known phase front. In the event of a multimode laser beam is the goal of such beam diagnostics, a characteristic interference pattern for each individual fashion receive. Would you just get a hidden signal beam to a reference overlay the beam, as is the case, for example, with a conventional shearing Interferometer takes place, there would be an interference pattern, which is due the superimposition and mixing of several modes would not be evaluable.

Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau einer interferometrischen Anord nung zur Laserstrahlanalyse im Homodyn-Betrieb. Gemäß dieser Anordnung wird der zu analysierende Laserstrahl 1 an einem Strahlteiler 2, bei dem es sich um einen halbdurchlässigen Spiegel handelt, in einen Referenz strahl 3 und einen Signalstrahl 4 aufgeteilt. Der Referenzstrahl 3 tritt in ein frequenzverschiebendes Element, bei dem es sich in dem gezeigten Ausführungsbeispiel um einen akustooptischen Deflektor 5 handelt, ein. Der abgelenkte Referenzstrahl 3 wird durch eine aus zwei Spiegeln 6, 7 zusammengesetzte Optik erfaßt und über ein aus zwei Sammellinsen 8 und 9 zusammengesetztes Linsensystem und über einen Umlenkspiegel 10 in eine Anordnung 11 zur Modenselektion und Frequenzfilterung eingekoppelt, die als ein wesentliches Bauteil eine Selektorblende 12 aufweist. Ausgangs seitig der Anordnung 11 wird der Strahl über eine Linse 13 auf eine orts auflösende Blende 14, bei der es sich um ein sogenanntes Pinhole handelt, zur Ortsfrequenzfilterung fokusiert, über eine weitere Sammellinse 15 auf einen weiteren Strahlteiler 16 geführt und über eine optische Anord nung 17 auf eine Kamera 18 gerichtet. Bei der Kamera 18 handelt es sich um eine pyroelektrische Vidicon-Kamera. Fig. 1 shows the schematic structure of an interferometric arrangement for laser beam analysis in homodyne operation. According to this arrangement, the laser beam 1 to be analyzed at a beam splitter 2, which is a semitransparent mirror, into a reference beam 3 and a signal beam 4 is divided. The reference beam 3 enters a frequency-shifting element, which in the exemplary embodiment shown is an acousto-optical deflector 5 . The deflected reference beam 3 is detected by an optical system composed of two mirrors 6 , 7 and is coupled via a lens system composed of two converging lenses 8 and 9 and via a deflecting mirror 10 into an arrangement 11 for mode selection and frequency filtering, which as an essential component comprises a selector diaphragm 12 having. On the output side of the arrangement 11 , the beam is focused via a lens 13 onto a spatially resolving diaphragm 14 , which is a so-called pinhole, for spatial frequency filtering, guided through a further converging lens 15 onto a further beam splitter 16 and via an optical arrangement 17 directed at a camera 18 . The camera 18 is a pyroelectric vidicon camera.

Der an dem Strahlteiler 2 abgezweigte Signalstrahl 4 führt auf einen halbdurchlässigen Umlenkspiegel 19, von dem aus er zu dem weiteren Strahlteiler 16 geführt wird, durch diesen hindurchtritt und dem Refe renzstrahl 3 überlagert und zusammen mit diesem auf die Kamera 18 gerich tet wird. An dem halbdurchlässigen Umlenkspiegel 19 wird ein Teil des Signalstrahls 4 abgezweigt und einem Detektor 20 zugeführt, der bei spielsweise für die Analyse eines CO₂-Laserstrahls bei 10 µm als HgCdTe-Detektor 20 ausgeführt werden könnte.The branched on the beam splitter 2 signal beam 4 leads to a semi-transparent deflecting mirror 19 , from which it is guided to the further beam splitter 16 , passes through it and the reference beam 3 is superimposed and together with this on the camera 18 is tet. At the semi-transparent deflecting mirror 19, a part of the signal beam 4 is branched off and a detector 20 supplied to the micron at play, for the analysis of a CO₂-laser beam at 10 could be designed as a HgCdTe detector 20th

Weiterhin ist mit den unterbrochenen Linien in Fig. 1 die Strahlführung des Signalstrahls 4 zwischen den Spiegeln 19 und 16 über eine Phasen schiebereinrichtung 21 angedeutet. Diese Phasenschiebereinrichtung 21 umfaßt in dieser schematischen Darstellung vier Ablenkspiegel 22, 23, 24 und 25, wobei die beiden Ablenkspiegel 23 und 24 auf einer nicht näher dargestellten Verschiebeeinrichtung angeordnet und in Richtung des Pfeils 26 verschiebbar sind, um die optische Weglänge des Signalstrahls 4 zwischen dem Umlenkspiegel 19 und dem weiteren Strahlteiler 16 verändern zu können. Der Strahl kann auf der Blende verschoben werden, und zwar in der durch die Doppelpfeile 27 angedeuteten Richtung, um die Blende 14 definiert in ausgewählten Bereichen des Strahlquerschnitts des Laser strahls bzw. des Referenzstrahls 3 positionieren zu können. Es besteht auch die Möglichkeit, die Blende 14 in der durch die Doppelpfeile 27 angedeuteten Richtung, d. h. in der Zeichenebene und senkrecht dazu, zu verschieben.Furthermore, with the broken lines in Fig. 1, the beam guidance of the signal beam 4 between the mirrors 19 and 16 is indicated by a phase shift device 21 . This phase shifter device 21 comprises in this schematic representation four deflecting mirrors 22 , 23 , 24 and 25 , the two deflecting mirrors 23 and 24 being arranged on a shifting device, not shown, and being shiftable in the direction of arrow 26 by the optical path length of the signal beam 4 between the Deflecting mirror 19 and the other beam splitter 16 can change. The beam can be displaced on the diaphragm, specifically in the direction indicated by the double arrows 27 , in order to be able to position the diaphragm 14 in selected areas of the beam cross section of the laser beam or of the reference beam 3 . There is also the possibility of moving the diaphragm 14 in the direction indicated by the double arrows 27 , ie in the plane of the drawing and perpendicular to it.

Der Detektor 20 ist über eine Signalleitung 29 mit einer elektronischen Regeleinrichtung 28 verbunden, die wiederum über eine weitere Signallei tung 30 den akustooptischen Deflektor 5 ansteuert. The detector 20 is connected via a signal line 29 to an electronic control device 28 which in turn controls the acousto-optical deflector 5 via a further signal line 30 .

Der zu analysierende Laserstrahl 1, wie er in der Fig. 1 angedeutet ist, kann ein Multimode-Laserstrahl mit unterschiedlichen Eigenfrequenzen sein, d. h. sowohl der Referenzstrahl 3 als auch der Signalstrahl 4 sind aus unterschiedlichen Eigenfrequenzen zusammengesetzt. Das Frequenzspek trum eines solchen Multimode-Laserstrahls 1 mit drei oszillierenden Ei genmoden ω₁, ω₁, ω₂ ist beispielhaft in Fig. 2 dargestellt, wobei die Darstellungen 1 in der oberen Reihe die Frequenzen des Signal strahls (in einer THz-Skalierung) zeigen, die Darstellung 2 die Frequen zen des Referenzstrahls (in einer THz-Skalierung) zeigt, die Darstel lung 3 die ermittelbaren Modenschwebungsfrequenzen (in einer MHz-Skalie rung) zeigt, die Darstellung 4 die Frequenzen des Referenzstrahls gemäß Darstellung 1 um die Frequenz ω_AOD an dem akustooptischen Deflektor (AOD) 5 verschoben zeigt, und die Darstellung 5 das Mischen der Frequenz ω₀ mit der Frequenz ω₁ durch die Überlagerung der beiden Strahlen, die zu der Zwischenfrequenz Δω_10′ führt, zeigt.The laser beam 1 to be analyzed, as indicated in FIG. 1, can be a multimode laser beam with different natural frequencies, ie both the reference beam 3 and the signal beam 4 are composed of different natural frequencies. The frequency spectrum of such a multimode laser beam 1 with three oscillating egg gene modes ω₁, ω₁, ω₂ is shown by way of example in FIG. 2, the representations 1 in the top row showing the frequencies of the signal beam (in a THz scaling) which Figure 2 shows the frequencies of the reference beam (in a THz scaling), Figure 3 shows the determinable mode beat frequencies (in a MHz scaling), Figure 4 shows the frequencies of the reference beam according to Figure 1 by the frequency ω _AOD on the acousto-optical deflector (AOD) 5 shows shifted, and the representation 5 shows the mixing of the frequency ω₀ with the frequency ω₁ by the superposition of the two beams, which leads to the intermediate frequency Δω _{10 '} .

Um nun eine monofrequente Welle in dem Referenzzweig zu erzeugen, ist die Selektorblende 12, wie Fig. 1 zeigt, in der Modenselektions/Frequenzfil terungsvorrichtung 11 so eingesetzt, daß der eine Haupt-Eigenmode ausge wählt wird, während die anderen Moden (ω₁ und ω₂), die in dem Re ferenzstrahl 3 vorhanden sind, gedämpft werden. Aufgrund der unterschied lichen Eigenfrequenzen der Transversalmoden bedeutet dies eine Frequenz filterung. Demzufolge dominiert in dem Wellenfeld des Referenzstrahls hinter der Modenselektion/Frequenzfilterungsvorrichtung 11 im wesentli chen eine Frequenz, wie auch die Darstellung 4 der Fig. 2 zeigt (in dieser Darstellung 4 sind die gedämpften Frequenzen ω_1′ und ω_2′ dargestellt). Um nun eine Phasenfront der Referenzwelle zu erzeugen, wird eine Ortsfrequenzfilterung durch die Blende 14 bzw. das dazu dienende Pinhole an der Fourier-Ebene der Linse 13 verwendet, wie sich dies aus Fig. 1 ergibt. Der Durchmesser der Blende 14 entspricht etwa der Größe der Airy-Scheibe (Durchmesser des Hauptmaximums der Intensitätsverteilung im Beugungsbild der Blende in der Fokusebene der Linse) entsprechend der numerischen Apertur, die durch die Linse 13 und die Vorrichtung 11 gege ben ist. An der Blende 14 wird durch die Diffraktion eine Welle mit einer sphärischen Phasenfront erzeugt. Dieser Referenzstrahlanteil wird dann mit dem Signalstrahl 4 hinter dem weiteren Strahlteiler 16 überlagert, wodurch ein Interferenzmuster an der Aufnahmeebene der Kamera 18 erzeugt wird.In order to generate a monofrequency wave in the reference branch, the selector diaphragm 12 , as shown in FIG. 1, is used in the mode selection / frequency filtering device 11 in such a way that a main eigenmode is selected, while the other modes (ω₁ and ω₂ ), which are present in the Re reference beam 3 , are damped. Due to the different natural frequencies of the transverse modes, this means frequency filtering. Accordingly, a frequency dominates in the wave field of the reference beam behind the mode selection / frequency filtering device 11 , as is also shown in the illustration 4 in FIG. 2 (in this illustration 4 , the attenuated frequencies ω _{1 '} and ω _2' are shown). In order to generate a phase front of the reference wave, spatial frequency filtering through the aperture 14 or the pinhole on the Fourier plane of the lens 13 is used, as can be seen in FIG. 1. The diameter of the diaphragm 14 corresponds approximately to the size of the Airy disk (diameter of the main maximum of the intensity distribution in the diffraction pattern of the diaphragm in the focal plane of the lens) corresponding to the numerical aperture given by the lens 13 and the device 11 . At the aperture 14 , a wave with a spherical phase front is generated by the diffraction. This reference beam component is then superimposed with the signal beam 4 behind the further beam splitter 16 , as a result of which an interference pattern is generated at the recording plane of the camera 18 .

Die Intensität des sich an der Kamera 18 ergebenden Streifenmusters wird mit der Differenzfrequenz zwischen dem ausgewählten Mode und dem fre quenzverschobenen Referenzstrahl 3 moduliert, wie auf der rechten Seite der Darstellung der Fig. 2 zu sehen ist.The intensity of the stripe pattern resulting on the camera 18 is modulated with the difference frequency between the selected mode and the frequency-shifted reference beam 3 , as can be seen on the right-hand side of the illustration in FIG. 2.

Für eine Untersuchung der einzelnen Moden des Signalstrahls 4 wird der Referenzstrahl in dem akustooptischen Deflektor 5 auf die Frequenzen der jeweiligen zu untersuchenden Eigenmoden mittels der elektronischen Regel einrichtung 28 abgestimmt, die Sollwerte von dem Detektor über die Sig nalleitung 29 aufnimmt und dem Deflektor 5 über die weitere Signallei tung 30 die angeglichenen Istwerte als Stellwerte zuführt. Mit dem aku stooptischen Deflektor 5 wird die Referenzfrequenz um die Frequenz der durchlaufenden, akustischen Welle, die in dem akustooptischen Deflektor 5 angeregt wird, verschoben. Die Frequenz der Referenzwelle wird in Abhän gigkeit davon, ob sich die Referenzwelle in der Richtung der akustoopti schen Welle ausbreitet oder dieser Ausbreitungsrichtung entgegenläuft, nach oben oder nach unten verschoben. Gleichzeitig kann durch Anpassung der Steuerleistung das Verhältnis der Signalstärke von Signal und Refe renzstrahl angepaßt werden.For an examination of the individual modes of the signal beam 4 , the reference beam in the acousto-optical deflector 5 is tuned to the frequencies of the respective eigenmodes to be examined by means of the electronic control device 28 , the setpoints are received by the detector via the signal line 29 and the deflector 5 via the further signal line 30 supplies the adjusted actual values as manipulated values. With the aku stooptic deflector 5 , the reference frequency is shifted by the frequency of the continuous acoustic wave that is excited in the acousto-optic deflector 5 . The frequency of the reference wave is shifted upwards or downwards depending on whether the reference wave propagates in the direction of the acousto-optic wave or runs in the opposite direction. At the same time, the ratio of the signal strength of the signal and the reference beam can be adjusted by adjusting the control power.

Um die optische Weglänge des Signalstrahls zu verändern, wird die Phasen schiebereinrichtung 21 eingesetzt. Durch eine definierte Verschiebung der beiden Spiegel 23, 24 relativ zu den Spiegeln 22, 25 in Richtung des Pfeils 26 kann die optische Weglänge definiert verändert werden; hier durch ist es möglich, phasenverschobene Interferogramme zu erhalten, aus denen die Phase des ausgangsseitigen Strahls (überlagerter Signalstrahl und Referenzstrahl) ermittelt werden kann. In order to change the optical path length of the signal beam, the phase shifter device 21 is used. The optical path length can be changed in a defined manner by a defined displacement of the two mirrors 23 , 24 relative to the mirrors 22 , 25 in the direction of the arrow 26 ; this makes it possible to obtain phase-shifted interferograms from which the phase of the output beam (superimposed signal beam and reference beam) can be determined.

In den Fig. 3A und 3B sind beispielhaft zwei Interferenzmuster darge stellt, die mit der Kamera 18 der Anordnung eines Zweimode-Laserstrahls 1 aufgenommen sind. In Fig. 3A ist beispielhaft das Interferenzmuster des Hybridmodes TEM10* eines Zweimodenlasers mit einem als referenzselektier ten, frequenzverschobenen und synchronisierten TEM00-Mode (transversal elektromagnetische Welle) gezeigt, das in Verbindung mit einem Homodyn- Betrieb, der mit der interferometrischen Anordnung der Fig. 1 durchge führt wurde, entstanden ist. Bei der in Fig. 3B gezeigten Aufnahme wurde der Referenzstrahl gegen den Signalstrahl verkippt. Aufgrund des Spiral musters der Fig. 3A ist ersichtlich, daß der beobachtete Mode ein TEM10*-Mode war (eine Überlagerung der beiden frequenzentarteten Moden typen TEM01 und TEM10 mit einer Phasenverschiebung von π/2 zwischen diesen beiden Moden).In FIGS. 3A and 3B, two interference patterns are exemplary Darge is accommodated a dual mode laser beam 1 with the camera 18 of the assembly. FIG. 3A shows, by way of example, the interference pattern of the hybrid mode TEM10 * of a two-mode laser with a TEM00 mode (transversal electromagnetic wave) as a reference-selected, frequency-shifted and synchronized mode, which in connection with a homodyne operation which is associated with the interferometric arrangement of FIG. 1 was carried out. In the recording shown in FIG. 3B, the reference beam was tilted against the signal beam. Due to the spiral pattern of Fig. 3A can be seen that the observed mode, a TEM10 * mode was (types a superposition of two frequency-degenerate modes TEM01 and TEM10 with a phase shift of π / 2 between the two modes).

Um die Arbeitsweise der interferometrischen Vorrichtung, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, anschaulicher beschreiben zu können, kann diese als Empfänger für Modenfrequenzen angenommen werden und mit den Arbeits weisen eines Funkempfängers verglichen werden. In dieser vergleichsweisen Darstellung sind die Eigenfrequenzen der Moden in dem Signalstrahl die Trägerfrequenzen, die frequenz- oder phasenabhängig moduliert sein kön nen. Der Referenzstrahl enthält im wesentlichen eine gefilterte Träger frequenz. Er wird zur Auswahl der Trägerfrequenzen und zur Transformation der Trägerinformationen auf eine Zwischenfrequenz, d. h. die Differenz zwischen der Referenzfrequenz und der Frequenz des beobachteten Modes, verwendet. Falls die Zwischenfrequenz gleich Null ist, wird die Vorrich tung als ein homodyner oder synchroner Empfänger betrieben, während dann, wenn die Frequenz auf eine ausgewählte Größe gesetzt wird, er als ein heterodyner Empfänger verwendet wird. Der Detektor 20, wie er in Fig. 1 dargestellt ist, arbeitet in dieser Betrachtungsweise als Antenne und ist zusammen mit der elektronischen Regeleinrichtung 28 als Mischeinrichtung ausgebildet. Diese Methode, die Vergleichsfrequenz aus dem Originalsig nalgemisch zu erzeugen, hat den Vorteil, daß Absolutenverschiebungen der Frequenzen des Lasers, wie sie z. B. aufgrund von kleinen Längenfluktua tionen des Resonators auftreten können, die zu sehr große Absolutenver schiebungen der Frequenzen führen, durch die Differenzbildung zwischen Referenz- und Signalkanal für die Auswertung eine vernachlässigbare Stör quelle darstellen.In order to be able to describe the mode of operation of the interferometric device as shown in FIG. 1 more clearly, it can be assumed as a receiver for mode frequencies and compared with the modes of operation of a radio receiver. In this comparative representation, the natural frequencies of the modes in the signal beam are the carrier frequencies, which can be modulated as a function of frequency or phase. The reference beam essentially contains a filtered carrier frequency. It is used to select the carrier frequencies and to transform the carrier information to an intermediate frequency, ie the difference between the reference frequency and the frequency of the observed mode. If the intermediate frequency is zero, the device operates as a homodyne or synchronous receiver, while when the frequency is set to a selected size, it is used as a heterodyne receiver. In this way, the detector 20 , as shown in FIG. 1, works as an antenna and is designed together with the electronic control device 28 as a mixing device. This method of generating the reference frequency from the original signal mixture has the advantage that absolute shifts in the frequencies of the laser, as z. B. due to small fluctuations in length of the resonator can occur, which lead to very large Absolutever shifts in the frequencies, represent a negligible interference source for the evaluation by the difference between the reference and signal channel.

Wie wiederum anhand der rechten Darstellungen 1, 4, 5 der Fig. 2 zu sehen ist, ist eine Frequenzfilterung durch die Selektorblende 12 der Fig. 1 unbedingt erforderlich, da ansonsten öfters Mischfrequenzen im Zwischen frequenzbereich auftreten würden, als dies während der Frequenzverschie bung erwünscht wäre, und zwar aufgrund der Frequenzen der anderen Moden des Referenzstrahls 3, so daß es praktisch unmöglich wäre, die beobach teten Moden derselben Referenzfrequenz zuordnen zu können.As can again be seen from the illustrations on the right 1 , 4 , 5 of FIG. 2, frequency filtering through the selector diaphragm 12 of FIG. 1 is absolutely necessary, since otherwise mixed frequencies would occur in the intermediate frequency range more often than is desired during the frequency shift would be, because of the frequencies of the other modes of the reference beam 3 , so that it would be practically impossible to assign the observed modes to the same reference frequency.

Alternativ zu der Ausführungsform der Fig. 1 ist in Fig. 4 eine Homo dyn-Konfiguration der interferometrischen Vorrichtung gezeigt, bei der gegenüber der Ausführung nach Fig. 1 das frequenzverschiebende Element, in Fig. 1 der akustooptische Deflektor 5, ein integriertes, akustoopti sches Bauteil mit an beiden Seiten angekoppelten Lichtwellenleitern 32, ist. In dieser Anordnung erfolgt die Anregung der Frequenzverschiebung axial, so daß keine Ablenkung des Strahls stattfindet, wie dies nach der Ausführungsform in Fig. 1 der Fall ist, bei der der Referenzstrahl 4 ausgangsseitig des akustooptischen Deflektors 5 in Richtung des Doppel pfeils 33 verschoben und folglich durch den Spiegel 6 entsprechend der Verschiebung erfaßt werden muß. Weiterhin ist ein Unterschied gegenüber der Fig. 1 dahingehend gegeben, daß die Modenselektion durch eine in dem Referenzstrahl 3 eingangsseitig des integrierten Bauteils 31 angeordneten Blende 14′ erfolgt, die wiederum in Richtung des Pfeils 27 sowie in der dazu senkrecht verlaufenden Richtung im Bereich des Strahlquerschnitts verschiebbar ist. Die Anordnung der Blende 14′ an dieser Stelle hat ge genüber der Anordnung nach Fig. 1 den Vorteil, daß nicht die gesamte Strahlleistung in die Faser eingekoppelt und einer eventuellen Beschädi gung der Faser vorgebeugt wird, daß durch die Strahlführung in der Faser eine Nachjustage der folgenden optischen Elemente für veränderte Blenden positionen (transversale Ebene) nicht notwendig. As an alternative to the embodiment of FIG. 1, a homodyne configuration of the interferometric device is shown in FIG. 4, in which, compared to the embodiment according to FIG. 1, the frequency-shifting element, in FIG. 1 the acousto-optical deflector 5 , is an integrated, acousto-optic cal Component with optical fibers 32 coupled on both sides. In this arrangement, the excitation of the frequency shift takes place axially, so that no deflection of the beam takes place, as is the case according to the embodiment in FIG. 1, in which the reference beam 4 on the output side of the acousto-optical deflector 5 is displaced in the direction of the double arrow 33 and consequently must be detected by the mirror 6 according to the shift. Furthermore, there is a difference compared to FIG. 1 in that the mode selection is carried out by an aperture 14 'arranged in the reference beam 3 on the input side of the integrated component 31 , which in turn is in the direction of arrow 27 and in the direction perpendicular thereto in the region of the beam cross section is movable. The arrangement of the aperture 14 'at this point has ge compared to the arrangement of FIG. 1 the advantage that not the entire beam power is coupled into the fiber and possible damage to the fiber is prevented that a readjustment by the beam guide in the fiber following optical elements for changed aperture positions (transversal plane) not necessary.

Da die Anordnung nach der Fig. 4 ansonsten vom Grundaufbau mit der An ordnung nach Fig. 1 vergleichbar ist, sind entsprechende Bauteile mit denselben Bezugszeichen versehen, so daß die Ausführungen zu der Fig. 1 auch auf die Ausführungen nach der Fig. 4 übertragbar sind; gleiches gilt für die Ausführungsform nach der Fig. 8, die nachfolgend noch be schrieben wird.Since the arrangement according to FIG. 4 is otherwise comparable from the basic structure with the arrangement according to FIG. 1, corresponding components are provided with the same reference numerals, so that the statements relating to FIG. 1 can also be transferred to the statements according to FIG. 4 ; The same applies to the embodiment of FIG. 8, which will be described below.

Zur Ermittlung der Interferenzstrukturen wird der Verfahrensablauf, ins besondere im Hinblick auf die elektronischen Bauteile der Anordnung der Fig. 1, anhand der Fig. 5 erläutert, in der die einzelnen Baukomponen ten in Form eines Blockschaltbilds dargestellt sind. Mit den Bauteilen der Fig. 1 vergleichbare Bauteile sind mit entsprechenden Bezugszeichen versehen.To determine the interference structures, the process sequence, in particular with regard to the electronic components of the arrangement in FIG. 1, is explained on the basis of FIG. 5, in which the individual structural components are shown in the form of a block diagram. Components comparable to the components in FIG. 1 are provided with corresponding reference numerals.

Um ein stationäres Streifenmuster zu erhalten, muß die Frequenz des Re ferenzstrahls 3 und der Moden in dem Signalstrahl, die analysiert werden, gleich sein. Die erforderliche Referenzfrequenzverschiebung, die in dem akustooptischen Deflektor 5 (AOD) vorgenommen wird, entspricht der Moden schwebungsfrequenz zwischen dem Referenzmode und dem zu analysierenden Mode in dem Signalstrahl 1. Diese Modenschwebungsfrequenz ist in dem Signalstrahl und damit am Ausgang des Detektors 20 (ein quadrierender Detektor) vorhanden. Das Ausgangssignal des Detektors 20 wird der elek tronischen Regeleinrichtung 28, in Fig. 5 durch die unterbrochene Linie dargestellt, zugeführt, die im wesentlichen eine phasengerastete Regel schleife (PLL) bildet. Diese Regelschleife ist im wesentlichen aus einem Phasendetektor 34, ein Tiefpaßfilter (TP) 37 und aus einem spannungsge steuerten Oszillator (VCO) 35 gebildet, wobei letzterer Teil einer Trei bereinrichtung des akustooptischen Deflektors 5 (AOD) ist. Die erwünschte Modenschwebungsfrequenz Δω_beat (Beat-Frequenz) wird durch Abstimmung der frei durchlaufenden Frequenz des spannungsgesteuerten Oszillators 35 derart ausgewählt, daß die Modenschwebungsfrequenz Δω_beat innerhalb des Erfassungsbereichs der phasengerasteten Regelschleife (PLL) liegt. Der Schaltkreis in Form der Regelschleife (PLL) synchronisiert dann seine Frequenz auf diese Modenschwebungsfrequenz, die er fest einstellt und auf diese Frequenz dann den akustooptischen Deflektor 5 einstellt. In order to obtain a stationary stripe pattern, the frequency of the reference beam 3 and the modes in the signal beam being analyzed must be the same. The required reference frequency shift, which is carried out in the acousto-optical deflector 5 (AOD), corresponds to the mode beat frequency between the reference mode and the mode to be analyzed in the signal beam 1 . This mode beat frequency is present in the signal beam and thus at the output of the detector 20 (a squaring detector). The output signal of the detector 20 is the elec tronic control device 28 , shown in Fig. 5 by the broken line, which essentially forms a phase locked loop (PLL). This control loop is essentially made up of a phase detector 34 , a low-pass filter (TP) 37 and a voltage-controlled oscillator (VCO) 35 , the latter being part of a driver device of the acousto-optical deflector 5 (AOD). The desired mode _beat frequency Δω _beat (beat frequency) is selected by tuning the free-running frequency of the voltage-controlled oscillator 35 such that the mode _beat frequency Δω _beat lies within the detection range of the phase locked loop (PLL). The circuit in the form of the control loop (PLL) then synchronizes its frequency to this mode beat frequency, which it sets and then sets the acousto-optical deflector 5 to this frequency.

Unter der Voraussetzung, daß nur zwei Moden mode1 und mode2 vorhanden sind und der mode1 als Referenzmode ausgewählt wird, wird das Detektor signal S_det(t) bestimmt durchProvided that there are only two modes mode1 and mode2 and mode1 is selected as the reference mode, the detector signal S _det (t) is determined by

S_det(t) ∝ E_mode1E_mode2 cos(Δω_beat·t)S _det (t) ∝ E _mode1 E _mode2 cos (Δω _beat · t)

mitWith

Δω_beat = ω_mode2 - ω_mode1.Δω _beat = ω _mode2 - ω _mode1 .

Irgendeine Abweichung der Frequenz des akustooptischen Deflektors 5 von der Modenschwebungsfrequenz wird ermittelt und nachgeregelt entsprechend der MaßgabeAny deviation of the frequency of the acousto-optical deflector 5 from the mode beat frequency is determined and readjusted according to the requirement

(ω_Mmode2 - ω_mode1 = Δω_beat = Δω_AOD ⇒ ω_mode1 + Δω_AOD = ω_ref = ω_mode2).(ω _Mmode2 - ω _mode1 = Δω _beat = Δω _AOD ⇒ ω _mode1 + Δω _AOD = ω _ref = ω _mode2 ).

Eine Drift und Abweichungen von den Modenfrequenzen werden demgemäß durch die Regeleinrichtung 28 mittels der phasengerasteten Regelschleife (PLL) ausgeglichen. Nachdem dann die Regelschleife (PLL) auf die Modenschwe bungsfrequenz Δω_beat eingerastet ist bzw. diese Modenschwebungsfrequenz festgelegt ist, wird ein stationäres Interferenzmuster zwischen dem Re ferenzstrahl 3 und dem Signalstrahl 4 erhalten, das dann durch die Vidi con-Kamera 18, die als quadrierender Detektor arbeitet und somit als Multiplizierer 36 mit anschließendem Tiefpaßfilter (TP) 37 dargestellt werden kann, erfaßt und auf einem Monitor 38 dargestellt.A drift and deviations from the mode frequencies are accordingly compensated for by the control device 28 by means of the phase locked control loop (PLL). After the control loop (PLL) is locked onto the mode oscillation frequency .DELTA..omega. _Beat or this mode _beat frequency is fixed, a stationary interference pattern is obtained between the reference beam 3 and the signal beam 4 , which is then obtained by the video camera 18 , which acts as a squaring Detector works and can thus be represented as a multiplier 36 with a subsequent low-pass filter (TP) 37 , detected and displayed on a monitor 38 .

Die einzelnen Interferenzmuster, wie sie auf dem Monitor 38 dargestellt werden, ermöglichen eine Auswertung der Phasen- und Amplitudenverteilung der beobachteten Moden.The individual interference patterns, as they are displayed on the monitor 38 , make it possible to evaluate the phase and amplitude distribution of the observed modes.

Es sind Betriebsweisen denkbar, in denen ein Homodyn-Betrieb nicht mög lich ist, da sich die phasengerastete Regelschleife (PLL) in Folge von schnellen Breitbandfrequenzänderungen nicht auf die Modenschwebungsfre quenz einstellt bzw. auf dieser Frequenz einrastet. In einem solchen Fall wird die interferometrische Vorrichtung in ihrer heterodynen Betriebs weise betrieben. Der Aufbau der Vorrichtung ist im wesentlichen der glei che wie derjenige, der in Fig. 1 und 5 dargestellt ist. Allerdings wer den in einem solchen Fall zwei Detektoren benötigt, um die Interferenz muster anstelle der Kamera 18 und des Detektors 20 zu erfassen.Operating modes are conceivable in which homodyne operation is not possible, since the phase-locked loop (PLL) does not adjust to the mode beat frequency as a result of rapid broadband frequency changes or locks onto this frequency. In such a case, the interferometric device is operated in its heterodyne mode. The structure of the device is essentially the same as that shown in FIGS. 1 and 5. However, who needs the two detectors in such a case to detect the interference pattern instead of the camera 18 and the detector 20 .

Eine solche Anordnung der zwei Detektoren 45,46 ist schematisch in den Fig. 6 und 7 zu sehen.Such an arrangement of the two detectors 45, 46 can be seen schematically in FIGS. 6 and 7.

Das Interferenzmuster des überlagerten Strahls 3-4 wird durch eine Strahlteilungseinrichtung 39 in einen ersten Teilstrahl 40 und einen zweiten Teilstrahl 41 geteilt. Der erste Teilstrahl 40 wird einem Dreh spiegel 42 zugeführt, der den ersten Teilstrahl 40 in einer X-Z-Ebene in Richtung des Pfeils 43 verschwenkt, wozu die Schwenkachse 44 des Dreh spiegels 42 senkrecht zu der X-Z-Ebene verläuft. Der von dem Drehspie gel 42 abgelenkte erste Teilstrahl 41 wird durch den Detektor 45 erfaßt. Der zweite Teilstrahl 41 wird dem Referenzdetektor 46 zugeführt.The interference pattern of the superimposed beam 3-4 is divided by a beam splitting device 39 into a first partial beam 40 and a second partial beam 41 . The first partial beam 40 is supplied to a rotating mirror 42 which pivots the first partial beam 40 in an XZ plane in the direction of arrow 43 , for which purpose the pivot axis 44 of the rotating mirror 42 extends perpendicular to the XZ plane. The first partial beam 41 deflected by the rotary mirror 42 is detected by the detector 45 . The second partial beam 41 is fed to the reference detector 46 .

Modellmäßig wird wiederum angenommen, daß der Laser in zwei Moden oszil liert. Die Feldverteilung an den Detektoren 45, 46 besteht aus dem Anteil des Signalstrahls Amode 1 und Amode 2Again, it is assumed as a model that the laser oscillates in two modes. The field distribution at the detectors 45 , 46 consists of the portion of the signal beam amode 1 and amode 2

A_mode1 ∝ E(x,y)_mode1 cos(ω_mode1t + ϕ(x,y)_mode1),
A_mode2 ∝ E(x,y)_mode2 cos(ω_mode2t + ϕ(x,y)_mode2),A _mode1 ∝ E (x, y) _mode1 cos (ω _mode1 t + ϕ (x, y) _mode1 ),
A _mode2 ∝ E (x, y) _mode2 cos (ω _mode2 t + ϕ (x, y) _mode2 ),

und dem Anteil des Referenzstrahls A_ref, der für den mode1 in diesem Beispiel ausgewählt ist:and the portion of the reference beam A _ref that is selected for mode1 in this example:

A_ref ∝ E′(x,y)_mode1 cos[ω_reft + ϕ(x,y)_ref]A _ref ∝ E ′ (x, y) _mode1 cos [ω _ref t + ϕ (x, y) _ref ]

wobei
ω_ref = ω_mode1 + Δω_AOD.in which
ω _ref = ω _mode1 + Δω _AOD .

Die sich ergebenden Frequenzpeaks in dem Frequenzspektrum des Detektor ausgangssignals sind wie folgt:The resulting frequency peaks in the frequency spectrum of the detector output signals are as follows:

ω_ref - ω_mode1 = Δω_AOD,ω _ref - ω _mode1 = Δω _AOD ,

ω_mode2 - ω_mode1 = Δω_beat undω _mode2 - ω _mode1 = Δω _beat and

ω_mode2 - ω_ref = Δω_diff = Δω_beat - Δω_AOD.ω _mode2 - ω _ref = Δω _diff = Δω _beat - Δω _AOD .

Die Referenzfrequenz ω_ref wird auf die mode2-Frequenz ω_mode2 derart eingestellt, daß die sich ergebende Differenzfrequenz Δω_diff inner halb der Bandbreiten von Bandpaßfiltern 47, 48 liegen, die in der schema tischen Blockschaltbilddarstellung der Fig. 7 gezeigt sind, denen ein Multiplizierer 49 nachgeschaltet wird. Es sind folgende Signale nach der Filterung an den Bandpaßfiltern 47 und 48 abgreifbar:The reference frequency ω _ref is set to the mode2 frequency ω _mode2 such that the resulting difference frequency Δω _{diff is} within the bandwidths of bandpass filters 47 , 48 , which are shown in the schematic block diagram representation of FIG. 7, which a multiplier 49th is connected downstream. The following signals can be tapped after filtering at bandpass filters 47 and 48 :

S(x,y) ∝ E(x,y)_refE(x,y)_mode2 cos[Δω_difft + ϕ(x,y)_mode2 - ϕ_ref(x,y)] undS (x, y) ∝ E (x, y) _ref E (x, y) _mode2 cos [Δω _diff t + ϕ (x, y) _mode2 - ϕ _ref (x, y)] and

S(x₀,y₀) ∝ E(x₀,y₀)_refE(x₀,y₀)_mode2 cos[Δω_difft + ϕ(x₀,y₀)_mode2 - ϕ_ref(x₀,y₀)]S (x₀, y₀) ∝ E (x₀, y₀) _ref E (x₀, y₀) _mode2 cos [Δω _diff t + ϕ (x₀, y₀) _mode2 - ϕ _ref (x₀, y₀)]

wobei x₀ y₀ die Lage des Referenzdetektors 46 in dem Strahl bezeich nen (die Phasenversetzung, die durch die Wegdifferenz hervorgerufen wird, ist vernachlässigt). Beide Signale enthalten die Phasen- und Amplituden- Information des Referenzmodes und des spezifischen, analysierten Modes. Aus diesen beiden Signalen an den Detektoren 45 und 46 kann die erwünsch te Phaseninformation ermittelt werden. Dieses Verfahren besitzt den Vor teil, daß die Referenzfrequenz nicht stabilisiert oder eng an die Moden frequenz gekoppelt werden muß. Dieses Verfahren ist nur dann von Vorteil, wenn eine Langzeitstabilität der Modenstruktur gegeben ist, da die Auf nahme eines zweidimensionalen Interferenzmusters eine gewisse Zeit erfor dert.where x₀ y₀ denote the position of the reference detector 46 in the beam (the phase shift caused by the path difference is neglected). Both signals contain the phase and amplitude information of the reference mode and the specific, analyzed mode. The desired phase information can be determined from these two signals at the detectors 45 and 46 . This method has the advantage that the reference frequency does not have to be stabilized or closely coupled to the mode frequency. This method is only of advantage if the long-term stability of the mode structure is given, since the acquisition of a two-dimensional interference pattern requires a certain amount of time.

Claims

1. Method for interferometric laser beam diagnostics, in which a reference field coupled out of the laser beam is superimposed on a wave field of a laser beam that forms the signal beam,
characterized,
that a frequency-filtered wave field with a defined phase front is formed from the reference beam for the diagnosis of multimode laser radiation,
that a frequency shift of the reference beam against the frequency of the signal beam is set,
that the reference beam is shifted such that a fixed diffe rence frequency between the individual modes and the frequency-filtered reference beam is set,
that the reference beam and the signal beam are superimposed such that they interfere, and
that the interference formed is recorded in a spatially resolved manner.

2. The method according to claim 1, characterized in that the reference beam that is frequency shifted to individual mode frequencies in the signal beam is coupled.

3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that as frequency-filtered wave field a monofrequency wave field is formed becomes.

4. The method according to claim 2 or 3, characterized in that the frequency filtered to one of the mode frequencies in the signal beam coupled reference beam with the respective mode frequency so is synchronized that stable interference occurs.

5. The method according to claim 4, characterized in that for generation a part of temporally stable interference from the signal beam beam is decoupled and in the partial beam mode beat frequencies between the individual mode frequencies recorded and as Control signals for setting a fixed differential frequency between Reference beam and signal beam can be used.

6. The method according to claim 4 or 5, characterized in that the Reference beam or the signal beam after generation one of the times stable interference against the other beam phases is shifted and the phase-shifted inter reference images are recorded in a spatially resolved manner.

7. The method according to claim 5 or 6, characterized in that the detected difference frequencies as control signals for shifting the Frequency of the reference beam can be used.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that the frequency-filtered wave field by suitable positioning an aperture is formed in the beam path transverse to the beam direction.

9. The method according to claim 8, characterized in that on the Beam facing side of the diaphragm the beam is made visible and the positioning of the aperture is monitored optically.

10. Device for interferometric laser beam diagnostics, in which a reference beam is coupled out by means of a beam splitter from the laser beam that detects the signal beam and the reference beam is superimposed on the signal beam, characterized in that an aperture ( 12 ) is in the beam path of the reference beam ( 3 ). is inserted, which is held displaceably on a displacement device in a plane perpendicular to the beam axis, that a spatial filter ( 14 ) for filtering a spatial frequency and thus generating a wave in the beam path of the reference beam ( 3 ) before being superimposed with the signal beam ( 4 ) defined phase front is used and that in the reference beam and / or the signal beam ( 4 ) a frequenzver shifting element ( 5 ; 31 ) is inserted.

11. The device according to claim 10, characterized in that the frequency-shifting element is an acousto-optical element ( 5 ).

12. The apparatus of claim 10 or claim 11, characterized in that the frequency-shifting element ( 5 ) in front of the room filter ( 14 ) is used.

13. Device according to one of claims 10 to 12, characterized in that a beam splitter is inserted in the signal beam ( 4 ), the beam coupled out on the beam splitter ( 19 ) being guided to a detector ( 20 ).

14. The apparatus according to claim 13, characterized in that the detector ( 20 ) detects the mode beat frequencies between the individual mode frequencies and feeds as input signals to a frequency control circuit ( 28 ) which on the one hand the target values with the actual values of the excitation frequency of the acousto-optical element ( 5 ) compares and forms signals due to control deviations and supplies a control device as control signals.

15. The apparatus according to claim 14, characterized in that in the signal beam ( 4 ) or the reference beam ( 3 ) an optical phase shifter device ( 21 ) is inserted.

16. The apparatus according to claim 15, characterized in that with the phase shifter ( 21 ), the optical path length of the beam ( 4 ) is variable.

17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the phase shifter device ( 21 ) from reflective components ( 22 , 23 , 24 , 25 ) is constructed.

18. Device according to one of claims 10 to 17, characterized in that the diaphragm ( 12 ) is arranged in the beam path in front of the spatial filter.