Absolute Längenmessung prismatischer Körper mit dem beidseitig antastenden Interferometer der PTB

Abstract

In vorliegender Arbeit werden Aufbau und Charakterisierung des beidseitig antastenden Interferometers vorgestellt, mit dem die absolute Länge prismatischer Körper ohne Anschub an eine Referenzplatte gemessen werden kann, was Verformungen durch Wechselwirkungen von Endmaßen mit angeschobenen Platten verhindern kann. Die Messunsicherheit im Vergleich zum Prototypen konnte aufgrund eines verbesserten Temperaturmesssystems, eines temperaturstabilisierten Vakuumkessels, Optiken mit besserer Ebenheit und Kameras größerer Auflösung deutlich reduziert werden. Das entwickelte Justageverfahren mit Autokollimationsscan und die Korrektur von Wellenfrontaberrationen tragen ebenso zu einer reduzierten Messunsicherheit bei, wie der durch optimale Ausrichtung der keilförmigen Strahlteilerplatten reduzierte Einfluss von Störinterferenzen. Vergleichsmessungen eines Stahl- und eines Filterglasendmaßes mit einseitig antastenden Interferometern zeigten mit Differenzen im Bereich von 0,4 bis 2,6 nm im Rahmen der Unsicherheiten konsistente Probenlängen, was die gute Eignung des beidseitig antastenden Interferometers für absolute Längenmessungen zeigt. Vergleichsmessungen an Silizium ergaben für die beidseitig antastend gemessenen Längen gegenüber im einseitig antastenden Interferometer gemessenen Längen deutlich geringere Werte und eine reproduzierbare Differenz zwischen den mit 532 und 633 nm gemessenen Längen von etwa 4 nm. Diese Effekte sind vermutlich auf die sich beim beidseitig antastenden Verfahren deutlich stärker auswirkenden Material- und Oberflächeneigenschaften zurückzuführen. Das volle Potential des beidseitig antastenden Interferometers entfaltet sich aufgrund des großen Messunsicherheitsbeitrages der Rauheit und des Phasensprungs bei der Reflexion vor allem bei der Messung von Längenänderungen, wie der thermischen Ausdehnung oder der Langzeitstabilität verschiedener Materialien, für die die Effekte der Rauheit und des Phasensprungs eine vernachlässigbare Rolle spielen.

The present thesis adresses the setup and characterization of PTB´s double-ended interferometer, which allows for absolute length measurement of prismatic bodies without the need for wringing to a platen, which prevents deformation caused by their interaction. In comparison with PTB´s prototype, the measurement uncertainty has been substantially reduced due to an improved temperature measurement system, a temperature stabilized vacuum chamber, optics of better flatness and cameras with higher resolution. Further reduction of the measurement uncertainty has been achieved by the developed adjustment procedure including an autocollimation scanning and a correction of the influence of wavefront aberrations. Multiple configurations of orientation of the beamsplitter plate wedges were tested to minimize the influence of parasitic interferences. Comparison measurements against single-ended interferometers on a steel and a filter glas gauge block resulted in deviations of the measured length in the range of 0.4 to 2.6 nm, which is in good agreement with measurement uncertainties. This proves the capability of absolute length measurement of the double-ended interferometer. Comparison measurements on silicon gauge blocks resulted in significantly shorter lengths than those measured in single-ended interferometers with a reproducible length difference of 4 nm for the different used wavelengths of 532 and 633nm. Those effects are presumably based on material and surface characteristics which seem to have a much stronger impact on the measured length when the sample is not wrung to a platen. Due to the large contribution of the roughness and the phase change on reflection to the measurement uncertainty, the full potential of the double ended interferometer will unfold for measurements on lengths changes, like measurement of the thermal expansion or long term stability of different materials, for which the influence of the roughness and phase change on reflection can be neglected.