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Die
Erfindung betrifft einen aktiven Rotationssensor mit einem Ringresonator
zur Erzeugung des Laserlichts.
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Derartige
Rotationssensoren, die auch als Laserkreisel bezeichnet werden,
sind bekannt und enthalten in Röhren
Neon oder vergleichbare Gase, die zur Erzeugung des Laserlichts
angeregt werden, welches innerhalb des Ringes geführt wird.
Diese Rotationssensoren sind aufgrund der Gasfüllung aufwendig und teuer.
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Aus
der
DE 196 42 925
A1 ist eine Vorrichtung zur Erzeugung ultrakurzer Impulse
mit einstellbaren Repetitionsraten von passiv modenverkoppelten
Faserlasern bekannt. Der aus diesem Stand der Technik bekannte Gegenstand
eignet sich jedoch nicht zur Verwendung als aktiver Rotationssensor. Denn
die Druckschrift betrifft einen Faserringlaser, welcher zur Erzeugung
ultrakurzer Impulse dient. Zur Erzeugung der kurzen Pulse wird die
Verwendung eines sättigbaren
Halbleiterabsorbers vorgeschlagen, um eine passive Modenverkoppelung
zu erreichen. Aus den in der Druckschrift enthaltenen Angaben bezüglich der
Resonatorumlaufzeit ergibt sich, dass die Länge der passiven optischen
Faser des aus der
6 der Druckschrift
bekannten Aufbaus etwa 20 m beträgt.
Hieraus ergibt sich jedoch, dass der aus der
DE 196 42 925 A1 ,
6, bekannte Aufbau prinzipiell nicht als
Rotationssensor einsetzbar ist. Denn eine Auswertung der Signale
zur Messung der Rotation setzt eine einmodige Strahlung voraus.
Demgegenüber
wird im Stand der Technik durch Modenkoppelung eine multimodale
Strahlung erzeugt, wobei die einzelnen Moden naturgemäß nahe beieinander
liegen.
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Die
aus der
DE 196 42
925 A1 bekannte Erbium-dotierte Faser weist mit etwa 60
nm eine vergleichsweise große
Verstärkungsbandbreite
auf. Gleichzeitig liegen aufgrund des etwa 20 m langen Ringresonators
die Lasermoden sehr dicht beieinander. Es ist daher eine Vielzahl
von Lasermoden innerhalb des Verstärkungsbandes vorhanden.
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Hieraus
eine für
die Verwendung als Rotationssensor erforderliche einmodige und kontinuierliche
Strahlung zu erzeugen ist derzeit jedoch weder mit optischen Filtern
noch mit anderen Mechanismen möglich,
da die Moden zu nahe beieinander liegen.
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Aus
der
EP 0 248 648 B1 ist
ein Aufbau eines Fiber-Raman-Gyroskops bekannt. Eine in
9 der genannten Druckschrift offenbarte
Messschleife ist jedoch kein aktiver Rotationssensor im Sinne der
vorliegenden Erfindung. Denn in der Messschleife erfolgt gemäß Stand
der Technik lediglich eine Verstärkung
des extern von dem Faser-Ramanlaser
zugeführten
Signalstrahls mittels stimulierter Ramanstreuung (SRS). Abweichend
davon wird bei einem aktiven Rotationssensor im Sinne der vorliegenden
Erfindung das für
die Messung auszuwertende Licht innerhalb der Meßschleife selber erzeugt. Somit
basiert das Meßprinzip
eines aktiven Rotationssensor im vorgenannten Sinne auf einer Messung
einer Frequenzverschiebung, wohingegen bei dem aus der
EP 0 248 648 B1 bekannten
Gegenstand eine Auswertung einer Phasenverschiebung zur Messung
der Rotation vorgenommen wird.
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Die
US 6,144,788 A macht
eine Faserlichtquelle vorbekannt, welche unter anderem zur Beleuchtung
eines Fasergyroskops verwendet werden kann.
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Aus
der
DE 699 01 911
T2 ist eine Anordnung bekannt, bei welcher ein optisch
gepumptes Festkörperlasermedium
118 ein
faseroptisches Gyroskop
402 beleuchtet. Nicht offenbart
ist jedoch, dass das Lasermedium selber Teil des aktiven Rotationssensors
ist, welcher ebenfalls rotiert. Es handelt sich somit nicht um einen
aktiven Rotationssensor im Sinne der vorliegenden Erfindung.
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Die
WO 98/05972 A1 macht
eine Vorrichtung bekannt, bei welcher zum Erfassen von Drehzahl oder
Winkelgeschwindigkeiten außerhalb
einer Messschleife erzeugtes Laserlicht aus zwei Quellen in Glasfaserringen
geführt
wird.
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Aus
der
WO 99/24788 A1 ist
ein Sagnac-Interferometer vorbekannt, welches ebenfalls auf dem Prinzip
beruht, daß Licht
einer externen Quelle in einen rotierenden Faserkreis eingekoppelt
wird und somit kein aktiver Rotationssensor im Sinne der vorliegenden
Erfindung ist.
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Aus
dem gleichen Grund ist auch der aus der
DE 698 01 435 T2 vorbekannte
faseroptische Kreisel nicht als aktiver Rotationssensor im Sinne
der vorliegenden Erfindung anzusehen.
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Es
besteht deshalb die Aufgabe, einen aktiven Rotationssensor oder
Laserkreisel zu schaffen, der preiswert herstellbar ist und auch
ein geringeres Gewicht hat.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe ist ein Rotationssensor mit den Merkmalen des Anspruchs
1 vorgesehen. Insbesondere ist der Rotationssensor ein Faserringlaser
und das aktive Glasfasermaterial und passives Glasfasermaterial
sind einander fortsetzend kombiniert. Auf diese Weise ergibt sich
ein aktiver Rotationssensor, der nur ein vergleichsweise geringes
Gewicht hat, selbst wenn Glasfasern von erheblicher Länge benutzt
werden müssen,
die zum Teil aus aktivem, zum Teil aus passivem Material bestehen.
Ferner ist ein solcher Rotationssensor aus Glasfasern einfacher
als ein aus Röhren
bestehender Rotationssensor herstellbar, relativ preiswert und hat, wie
schon erwähnt,
ein geringes Gewicht. Darüber
hinaus kann ein derartiger Rotationssensor eine hohe Lebensdauer
erreichen und ist weniger stoßanfällig als
ein Gasringlaser beziehungsweise Rotationssensor, der aus Gasröhren aufgebaut
ist. Ferner ist nicht zu befürchten,
dass im Laufe der Zeit das für
die Funktion wichtige Gas entweicht, weil der erfindungsgemäße Rotationssensor
keine Gasentladungsröhren
benötigt.
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Die
passive Glasfaser ist mit den beiden Enden der aktiven Glasfaser
verbunden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn
die von dem aktiven Glasfasermaterial nach entgegengesetzten Seiten
oder Richtungen ausgehenden Moden oder Frequenzen bei Gebrauch einander überlagert
sind.
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Dabei
ist es möglich,
dass zur Überlagerung der
nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen von dem aktiven Glasfasermaterial
ausgehenden Moden oder Frequenzen in den Faserstrang wenigstens
ein Koppler oder optisches Element eingebaut ist. Zumindest der
aus passivem Glasfasermaterial bestehende Faserstrang kann zu einer
oder mehreren Spulen gewickelt sein. Dadurch ist es möglich, auch
eine sehr große
Länge des
passiven Glasfasermaterials auf kleinem Raum unterzubringen.
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Beidseits
des aktiven Fasermaterials kann dabei, insbesondere spiegelsymmetrisch,
jeweils wenigstens eine Spule aus passivem Fasermaterial angeordnet
und mit dem aktiven Fasermaterial verbunden sein. Dies führt zu einer
guten Symmetrie des Rotationssensors.
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Günstig ist
es insbesondere bei einer symmetrischen Anordnung, wenn die Überlagerung
der beiden Moden der Stelle der Erzeugung des Laserlichts an dem
Faserring gegenüber
liegt beziehungsweise die Entfernungen von den Enden des aktiven Fasermaterials
zu der Detektionsstelle – auch über die
jeweiligen Windungen der Spulen aus passivem Fasermaterial – gleich
lang sind. Dadurch ergeben sich die Überlagerungen der beiden Moden
mit der erforderlichen Genauigkeit.
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Für die Energiezufuhr
zu dem aktiven Glasfasermaterial, also zu dem Teil des Rotationssensors,
der von dem aktiven Glasfasermaterial gebildet wird, kann ein fasergekoppelter
Diodenlaser mit Koppler vorgesehen sein. Dies ist eine bewährte Möglichkeit
für eine
derartige Energiezufuhr.
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Für eine Verbesserung
der Signale kann es günstig
sein, wenn im Bereich des passiven Glasfasermaterials ein Faserfilter
zur Einengung des Emissionsspektrums des aktiven Glasfasermaterials
vorgesehen ist.
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Damit
das Laserlicht nach einem Umlauf durch den Rotationssensor wieder
mit übereinstimmender
Polarisation in den Bereich des aktiven Glasfasermaterials eintritt,
kann im Verlaufe des passiven Glasfasermaterials wenigstens ein
Polarisationsdreher angeordnet sein. Damit kann sichergestellt werden,
dass das Laserlicht jeweils mit übereinstimmender
Polarisation in das aktive Glasfasermaterial eintritt, von welchem
es auch ausgeht.
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Versuche
haben gezeigt, dass es zweckmäßig ist,
wenn die Länge
der aktiven Glasfaser etwa fünf
Meter bis etwa zehn Meter, bevorzugt etwa sechs Meter bis etwa acht
Meter, insbe sondere etwa sieben Meter beträgt.
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Die
Länge der
passiven Glasfaser kann in der Größenordnung von etwa fünfzig Meter
oder hundert Meter oder zweihundert Meter oder vierhundert Meter
oder eventuell mehr oder Zwischenwerten von diesen Längen betragen.
Die Kombination von aktiven und passiven Glasfasern mit den angegebenen Längen führt zu einem
effektiven Rotationssensor, der vorteilhafterweise aus Glasfasermaterial
bestehen kann, so dass keine Gasröhren erforderlich sind.
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Die
aktive Glasfaser und die passive Glasfaser können an ihren Verbindungsstellen
miteinander verschmolzen sein. Somit ist die Herstellung des Rotationssensors
denkbar einfach.
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Auch
die aktive Faser kann zu einer wenigstens eine oder mehrere Windungen
aufweisenden, platzsparenden Spule gewickelt sein. Somit kann sie mit
den aus der neutralen oder passiven Glasfaser bestehenden Spulen
auch unter beengten Verhältnissen
eingesetzt und in einem entsprechend knapp bemessenen Gerätegehäuse untergebracht
werden.
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Vor
allem bei Kombination einzelner oder mehrerer der vorbeschriebenen
Merkmale und Maßnahmen
ergibt sich ein Rotationssensor, der ein Faserringlaser ist, wobei
das aktive Glasfasermaterial in überraschender
Weise mit passivem Glasfasermaterial kombiniert ist, damit ein funktionstüchtiger
aktiver Rotationssensor entsteht.
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Nachstehend
ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.
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Die
einzige Figur zeigt in schematisierter Darstellung einen erfindungsgemäßen aktiven
Rotationssensor.
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Ein
im Ganzen mit 100 bezeichneter aktiver Rotationssensor
ist als Faserringlaser ausgebildet, bei welchem aktives Glasfasermaterial 3 und
passives Glasfasermaterial 2 einander fortsetzend kombiniert
sind. In der einzigen Figur erkennt man, dass die von dem als unterbrochene
Linie gezeichneten aktiven Glasfasermaterial 3 nach entgegengesetzten Seiten
oder Richtungen das passive Glasfasermaterial 2 verläuft, um
insgesamt einen Ringresonator zu bilden. Dadurch können die
von der aktiven Glasfaser 3 nach entgegengesetzten Seiten
oder Richtungen ausgehenden Moden oder Frequenzen bei Gebrauch einander überlagert
sein.
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Für diese Überlagerung
der nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen von dem aktiven Glasfasermaterial 3 ausgehenden
Moden oder Frequenzen sind in den Faserstrang, im Ausführungsbeispiel
im Verlauf des passiven Glasfasermaterials, optische Elemente, nämlich Faserkolimatoren 9 und 10 und
ein Strahlteiler 11 eingebaut und zwar in einer im Ganzen
mit 7 bezeichneten Detektionseinheit, an welcher man außerdem einen
Spiegel 12 und einen Fotodetektor 13 erkennt.
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Dabei
ist in der Figur auch schematisiert dargestellt, dass der aus passivem
Glasfasermaterial bestehende Faserstrang 2 für eine platzsparende Anordnung
zu zwei Spulen 5 und 6 gewickelt ist, wobei jeweils
beidseits des aktiven Fasermaterials 3 beziehungsweise
der aktiven Glasfaser spiegelsymmetrisch jeweils eine Spule 5 und 6 aus
passivem Fasermaterial angeordnet und dieses mit dem aktiven Fasermaterial 3 verbunden
ist. Somit können
Glasfasern 3 aus aktivem Fasermaterial und vor allem auch Glasfasern
aus passivem Glasfasermaterial 2 in großer Länge platzsparend untergebracht
werden.
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Die
schon erwähnte Überlagerung
der beiden Moden ist im Bereich der Detektionseinheit 7 an einer
Stelle angeordnet, die der Stelle der Erzeugung des Laserlichts
an dem gesamten Faserring etwa gegenüber liegt, wobei dafür gesorgt
ist, dass die Entfernungen von den Enden 3a des aktiven
Fasermaterials 3 zu der Detektionsstelle beziehungsweise
Detektionseinheit 7 gleich lang sind, wobei diese Entfernungen
auch über
die jeweiligen Windungen der Sensorspulen 5 und 6 gemessen
sind.
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Für die Energiezufuhr
zu dem aktiven Glasfasermaterial 3 ist ein fasergekoppelter
Diodenlaser 1 mit Koppler 1a vorgesehen, wie man
es in der Zeichnung schematisiert aber deutlich erkennt. Dabei kann
eine der passiven Glasfasern des Kopplers 1a mit der aktiven
Glasfaser 3 verbunden sein, wie es die Zeichnung ebenfalls
andeutet.
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Man
erkennt ferner im Bereich des passiven Glasfasermaterials – in der
Zeichnung vor der Spule 5 – einen Faserfilter 4 zur
Einengung des Emissionsspektrums des aktiven Glasfasermaterials 3.
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Im
Verlauf des passiven Glasfasermaterials 2 ist außerdem – im Ausführungsbeispiel
zwischen der Spule 6 und dem Koppler 1a – ein Polarisationsdreher 8 angeordnet,
damit das Laserlicht nach einem Umlauf wieder mit übereinstimmender
Polarisation in den Bereich des aktiven Fasermaterials 3 eintreten
und eine auf seinem Weg veränderte
Polarisation rückgängig gemacht
werden kann.
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Die
Länge der
aktiven Glasfaser 3 kann dabei zum Beispiel zwischen fünf Meter
und zehn Meter, bevorzugt etwa sieben Meter betragen. Die Länge der
passiven Glasfaser 2 kann zum Beispiel in der Größenordnung
von zweihundert Metern liegen, wobei jede der Spulen 5 und 6 in
abgewickelter Form eine Länge
von etwa hundert Meter haben kann.
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An
den Verbindungsstellen an den Enden 3a des aktiven Fasermaterials 3 können die
aktive Glasfaser 3 und die passive Glasfaser 2 miteinander
in bekannter Weise verschmolzen sein.
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Es
sei noch erwähnt,
dass auch die aktive Faser 3 je nach den zur Verfügung stehenden
Platzverhältnissen
zu einer wenigstens eine oder mehrere Windungen aufweisenden platzsparenden
Spule gewickelt sein könnte.
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Der
aktive Rotationssensor 100, der auch als Gyroskop zur Messung
von Rotationsbewegungen bezeichnet werden kann, weist einen Ringresonator zur
Erzeugung des Laserlichts auf und ist ein Faserringlaser, bei welchem
das aktive Glasfasermaterial 3 und passives Glasfasermaterial 2 einander
fortsetzend und zu einem Ring zusammengefügt kombiniert sind. Dabei ist
der Längenanteil
des passiven Glasfasermaterials 2, welches die beiden Enden
des aktiven Glasfasermaterials 3 verbindet, erheblich größer als
die dieses aktiven Glasfasermaterials 3.