Diese Arbeit präsentiert die Entwicklung und Charakterisierung eines kompakten Freistrahl-Interferometers, das auf der Range-Resolved Interferometry (RRI)-Technik basiert und für rückführbare Verschiebungsmessungen mit SubNanometer-Präzision ausgelegt ist. Der Sensor überwindet zentrale Einschränkungen der konventionellen Interferometrie, wie komplexe optische Aufbauten und Anfälligkeit für zyklische Fehler, indem er einen fasergekoppelten kompakten Kollimator-Kopf integriert und zyklische Fehler unter 20 pm mithilfe der RRI-Technik erreicht. Die Rückführbarkeit auf die SI-Einheit Meter kann durch eine HCN-Gaszelle als Wellenlängenreferenz sichergestellt werden, wobei die Laserstabilisierung eine relative Stabilität von 3 x 10-9 erreicht. Mehrere Verbesserungen der RRI-Technik wurden eingeführt, darunter eine adaptive Demodulations-Phasenträger-Amplitude sowie die automatisierte Identifikation von Modulations-Nichtlinearitäten. Diese Fortschritte reduzieren systematische Messfehler der RRI-Technik so weit, dass das Laserfrequenzrauschen zum primären begrenzenden Faktor wird. Neben relativen interferometrischen Phasenmessungen ermöglicht der Sensor auch absolute Distanzmessungen und zeigt kumulative Fehler innerhalb von ±1 µm über eine Strecke von 100 mm. Die verbesserte RRI-Technik wurde für eine digitale Implementierung angepasst, was zur Entwicklung und Veröffentlichung einer Open-Source-Python-Bibliothek führte, um weitere Forschung und Anwendungen zu unterstützen. Das entwickelte interferometrische System wurde zudem auf sechs Kanäle erweitert und erfolgreich in eine Mehrkomponenten-Kraft- und Drehmomentmessanordnung auf Basis des Kibble-Waagen-Prinzips integriert. Dies zeigt sein Potenzial für hochpräzise Metrologie in kompakten und flexiblen Konfigurationen.
This thesis presents the development and characterization of a compact free-space interferometric sensor based on the Range-Resolved Interferometry (RRI) technique for traceable displacement measurements with sub-nanometer precision. The sensor addresses key limitations of conventional interferometry, such as complex optical setups and susceptibility to cyclic errors, by incorporating a compact, fiber-coupled collimator head and achieving cyclic errors below 20 pm using the RRI technique. Traceability to the SI meter unit can be ensured via an HCN gas cell as a wavelength reference, with laser stabilization reaching a relative stability of 3 x 10-9. Several enhancements to the RRI technique were introduced, including adaptive demodulation phase carrier amplitude and automated identification of modulation non-linearities. These advancements reduce systematic measurement errors of RRI technique to the point where laser phase noise becomes the primary limiting factor. In addition to relative interferometric phase measurements, the sensor enables absolute distance measurements, demonstrating cumulative errors within ±1 µm over a 100 mm range. The improved RRI technique, was adapted for digital implementation, resulting in the development and release of an opensource Python library to support further research and application. The developed interferometric system was further expanded to six channels and successfully integrated into a multicomponent force and torque measurement setup based on the Kibble balance principle, showcasing its potential for highprecision metrology in compact and flexible configurations.
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