CH656707A5 - Ringlaser-drehgeschwindigkeitsmesser. - Google Patents

Description

Der Erfindung liegt also die Aufgabe zugrunde, einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 so auszugestalten, dass eine Vermischung der sich im Resonanzhohlraum ausbreitenden Hauptwellen mit den Bauteilen des Gerätes in unerwünschter Weise reflektierter Energie vermieden wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Es findet also bei dem hier vorgeschlagenen Ringlaser-Dreh-geschwindigkeitsmesser ein Photonenabsorber Verwendung, welcher die Wechselwirkung zwischen reflektierter elektroma-40 gnetischer Energie und der elektromagnetischen Energie der Hauptwellen, welche in entgegengesetztem Richtungssinn zueinander sich im optischen Resonanzhohlraum ausbreiten, minimal halten kann. Die Verwendung eines Photonenabsorbers in dem Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser kann die Breite des «Lock-in»-Bandes bei hohen Winkelgeschwindigkeiten minimal machen. Ein breites «Lock-in»-Band vermindert die Genauigkeit des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers. Die Einfügung eines Feststoffes in den optischen Resonanzhohlraum zur Erzeugung einer ausbreitungsrichtungsabhängigen Phasenverschie-50 bung oder -drehung an den genannten Wellen zum Zwecke einer Frequenzaufspaltung zwischen den sich entgegengesetzt zueinander ausbreitenden Wellenstrahlen hat zur Folge, dass an dem betreffenden Feststoff Reflexionen auftreten.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform enthält das Verstär-55 kermedium oder Lasermedium eine Mischung aus Helium und Neon und wird elektrisch durch einen Entladungsstrom zwischen einer oder mehreren Anoden und einer Kathode angeregt. Der in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg enthält weiter eine Anzahl von Reflektoren, um die elektromagnetischen Hauptwellen mit Ausbreitungsrichtung im Uhrzeigersinn und mit Ausbreitungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg rundum zu führen. Der Wellenausbreitungsweg liegt nicht in einer Ebene, um eine zirkuläre Polarisation der entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wel-65 len sicherzustellen. Magneto-optische Mittel mit einem Faraday-Rotator sind in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg angeordnet, um eine ausbreitungsrichtungsabhängige Phasenverschiebung der Wellen zu bewirken. Auch hier liegt eine

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Quelle unerwünschter Reflexionen von elektromagnetischer Energie vor. Der Faraday-Rotator besitzt eine leichte Schrägstellung gegenüber der optischen Achse der Hauptanordnung, so dass die reflektierten Wellen aus dem Weg der entgegengesetzt zueinander sich ausbreitenden elektromagnetischen Hauptwellen herausgeführt werden und zu einem Photonenabsorber gelangen, wo die reflektierten Wellen absorbiert werden. Ein erster Photonenabsorber befindet sich in einer ersten Gegenbohrung oder Kammer des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges auf einer Seite eines reflektierenden Organes, beispielsweise eines Faraday-Rotators, und ein zweiter Photonenabsorber ist in einer zweiten Gegenbohrung oder Kammer des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges auf der gegenüberliegenden Seite des reflektierenden Organes vorgesehen.

Bei einer weiteren Ausführungsform ist der Photonenabsorber aus lichtabsorbierendem Filterglas mit abwechselnden Schichten aus Antireflexionsbelägen aus Siliziumdioxid und Titandioxid hergestellt. Ein Photonenabsorber ist in seiner Senkbohrung oder seiner Kammer innerhalb des optischen Resonanz- ^ hohlraumes mittels einer V-förmigen Haltefeder festgehalten, welche sowohl seitliche als auch in Längsrichtung weisende Haltekräfte erzeugt. In der Mitte weist der Photonenabsorber eine Bohrung oder eine Öffnung auf, um den Haupt-Wellen-strahl durchzulassen. Eine Schrägfläche weist reflektierte Wellen 25 von dem Ausbreitungsweg der entgegengesetzt zueinander umlaufenden elektromagnetischen Hauptwellen hinweg.

Gemäss einer anderen Ausführungsform ist ein Photonenabsorber aus Berillium-Kupfer hergestellt und bildet einen Schild oder einen Schirm, auf dessen Oberfläche ein Absorptionsbelag 30 aus Titan abgelagert ist. Ein bestimmtes Werkzeug wird zum Einsetzen des Photonenabsorberschildes in einen optischen Raum verwendet, wodurch der Schild oder Schirm eine konische Gestalt erhält. Der Schild oder Schirm ist in einer Senkbohrung eines optischen Raumes mit seinem äusseren, kreisförmigen 35 Rand festgehalten, wobei dieser Rand gegen die Innenfläche der betreffenden Kammer angepresst ist. Der Winkel, welcher durch die konische Oberflächengestalt gegeben ist, lenkt reflektierte Wellen von dem Ausbreitungsweg der Hauptwellen der entgegengesetzt zueinander sich ausbreitenden elektromagnetischen 40 Energie hinweg, wobei dieser Weg durch eine Öffnung oder Bohrung in der Mitte des konischen Schildes des Photonenabsorbers verläuft.

Im übrigen bilden weitere Ausgestaltungen Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Einzelheiten ergeben sich aus der nach- 45 folgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung. In dieser stellen dar:

Fig. 1 eine vergrösserte Stirnansicht eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers innerhalb eines blockförmigen Körpers, 50 wobei der gesamte, in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg gezeigt ist;

Fig. 2 einen Teilschnitt durch den Blockkörper des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers von der Frontseite aus gesehen, wobei die Schnittebene entsprechend der in Fig. 3 angedeuteten 55 Linie 2-2 gelegt ist;

Fig. 3 eine Aufsicht auf den Ringlaser-Drehgeschwindigkeits-messer nach den Fig. 1 und 2;

Fig. 4 eine Ansicht des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers von der Rückseite;

Fig. 5 eine Seitenansicht des Ringlaser-Drehgeschwindig-keitsmessers;

Fig. 6 eine Frontansicht des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers, welche mit Fig. 1 übereinstimmt, jedoch in demselben Massstab wie die Fig. 3 bis 5, um die Beziehung zu den gezeigten 65 Aufsichts-, Rückansichts- und Seitenansichtsdarstellungen herzustellen;

Fig. 7A einen Axialschnitt durch einen Photonenabsorber aus

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lichtabsorbierendem Filterglas mit Antireflexionsbelägen und einer schräggestellten Stirnfläche

Fig. 7B eine Frontansicht des Photonenabsorbers nach Fig. 7A, wobei die mittige Durchgangsöffnung und eine abgeflachte Seite erkennbar sind;

Fig. 8A eine Seitenansicht eines Federelementes zur Befestigung des Photonenabsorbers nach den Fig. 7A und 7B in dem Blockkörper nach den Fig. 1 bis 6, im Schnitt;

Fig. 8B eine Frontansicht des Federelementes nach Fig. 8A;

Fig. 9A eine Schnitt-Seitenansicht eines konischen, schildartigen Photonenabsorbers aus Berillium-Kupfer vor dem Einsetzen in einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser, wobei die Absorptionsbeläge erkennbar sind;

Fig. 9B eine Frontansicht des Photonenabsorbers nach Fig. 9A, wobei die kreissektorförmige Gestalt vor dem Einsetzen in den Blockkörper des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers erkennbar ist;

Fig. 9C eine perspektivische Ansicht des Photonenabsorbers nach den Fig. 9 A und 9B, jedoch in konischer Gestalt, welche nach dem Einsetzen in den optischen Resonanzhohlraum des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers erzielt wird;

Fig. 10 ein Blockschaltbild des Drehgeschwindigkeits-Mess-systems unter Einbeziehung einer perspektivischen Darstellung des Blockkörpers des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers nach den Fig. 1 bis 6, und

Fig. 11 eine graphische Darstellung, in welcher der Verstärkungsgewinn über der Frequenz für das Ringlaser-Drehge-schwindigkeitsmesssystem nach Fig. 10 aufgetragen ist, wobei die relativen Lagen der einzelnen Frequenzen der vier Wellen des Systems in der Kennlinie eingezeichnet sind.

Zunächst sei auf die Fig. 1 bis 6 Bezug genommen. Ein Blockkörper des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers ist mit 10 bezeichnet. Innerhalb des Blockkörpers 10 befindet sich ein nicht in einer Ebene liegender Resonanzhohlraum 16, wie aus Fig. 1 ersichtlich ist. Der Resonanzhohlraum 16 bildet einen in sich geschlossenen Ausbreitungswegfür elektromagnetische Wellen. Vier Reflektoren oder Spiegel 13,30,32 und 38 dienen zur Führung der elektromagnetischen Wellen in dem geschlossenen Ausbreitungsweg rundum. Weiter ist ein Faraday-Rotator 28 vorgesehen, der eine nichtreziproke Polarisationsdrehung der sich ausbreitenden Wellen erzeugt. Anoden 14 und 36, eine Kathode 34 und ein Laser-Verstärkermedium 39 innerhalb des optischen Resonanzhohlraumes 16 vervollständigen den Ringlaser. Das Laser-Verstärkermedium 39 enthält eine Helium-Neon-Gasmischung, wobei die zwei aktiven Isotope Neon20 und Neon22 sind. Das gasförmige Laser-Verstärkermedium 39 wird elektrisch durch Entladungsströme angeregt, welche zwischen den Anoden 14 und 36 einerseits und der Kathode 34 andererseits erzeugt werden. Auf diese Weise kommt ein lichtemittierendes Laserplasma zustande, welches in dem optischen Resonanzhohlraum 16 die Laserwelle in Resonanz aufrecht erhält.

Der Reflektor 13 ist an einem piezoelektrischen Element 12 befestigt, welches als Bestandteil eines Regelsystems zur Einstellung der wirksamen Länge des Resonanzhohlraums den Reflektor nach einwärts und nach auswärts zu bewegen vermag. Die Reflektoren 30 und 32 dienen lediglich zur Reflexion der elektromagnetischen Wellen derart, dass sie dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg folgen. Der Reflektor 38 ist ein teildurchlässiger Spiegel, so dass ein geringer Anteil der auf seine Oberfläche treffenden Wellen durch den Reflektor hindurchgelangt und durch Kombination und Weiterverarbeitung der betreffenden Signale eine Information über die Rotation des Systems erhalten wird.

Der Blockkörper 10 ist vorzugsweise aus einem Werkstoff hergestellt, welcher einen niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise aus Glaskeramik, um die Einflüsse von Temperaturänderungen auf den Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser minimal zu halten. Geeignete Werk-

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stoffe sind unter der Bezeichnung «Cer-Vit», Type C-101 (Hersteller Owens-Illinois Company) oder unter der Bezeichnung «Zerodur» (Hersteller Schott Optical Company) erhältlich.

In den Fig. 1 und 2 sind zwei Photonenabsorber 24 und 26 eingezeichnet. Der Photonenabsorber 24 ist an einem Ende einer Senkbohrung 23 innerhalb des Resonanzhohlraumes 16 des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers angeordnet. Der Photonenabsorber 26 ist an einem Ende einer Senkbohrung 27 ebenfalls innerhalb des Resonanzhohlraumes 16 vorgesehen. Die Photonenabsorber 24 und 26 sind so angeordnet, dass sie diejenigen elektromagnetischen Wellen absorbieren, welche von der Faraday-Rotatoranordnung 28 des Systems reflektiert werden.

Betrachtet man Fig. 2, so erkennt man in einem Teil-Quer-schnitt durch den Blockkörper 10, dass die Faraday-Rotatoranordnung 28 in einem Abschnitt des Laser-Resonanzhohlraumes 16 gelegen ist. Aus der Schnittdarstellung von Fig. 2 ist die Lage des Photonenabsorbers 24 in der Senkbohrung 23 des optischen Resonanzhohlraumes 16 erkennbar. Der Photonenabsorber 24 ist durch eine V-förmige Berillium-Kupfer-Haltefeder 40 in seiner Lage festgehalten. Auch der Photonenabsorber 26, welcher sich in der Senkbohrung 27 befindet, ist mittels einer V-förmigen Berillium-Kupfer-Haltefeder 42 befestigt. Die Fara-day-Rotatoranordnung 28 ist gegenüber der optischen Achse 60 des Haupt-Wellenausbreitungsweges geringfügig geneigt, so dass sich ein Neigungswinkel von etwa 5° gegenüber der optischen Achse ergibt. Dieser Neigungswinkel ist mit 61 bezeichnet. Eine reflektierte Welle 62 wird also von dem Haupt-Wellenstrahl weggeführt, welcher sich längs der optischen Achse 60 ausbreitet, so dass eine Kopplung zwischen der sich ordnungsgemäss ausbreitenden Welle und der reflektierten Wellenenergie vermieden wird. Wenn eine reflektierte Welle 62 dann an dem Spiegel 30 reflektiert wird, trifft sie schliesslich auf die Stirnfläche 44 des Photonenabsorbers 24 auf und wird dort absorbiert. In entsprechender Weise wird eine von der Faraday-Rotatoranord-nung 28 reflektierte Welle 64 zur Stirnfläche 46 des Photonenabsorbers 26 hingelenkt, wenn sie an dem Reflektor 32 reflektiert worden ist und erfährt eine Absorption in dem Photonenabsorber 26.

Die Faraday-Rotatoranordnung 28 innerhalb des Resonanzhohlraums 16 ist eine gestapelte Anordnung mit einem ersten Permanentmagneten 47, einem Abstandshalter 54, welcherTeil des Blockkörpers 10 ist, einer Faraday-Scheibe 48, einem zweiten Abstandshalter 50, welcher aus demselben Werkstoff wie der erste Abstandshalter hergestellt sein kann und einem zweiten Permanentmagneten 52. Diese Bauteile bilden zusammen die Faraday-Rotatoranordnung 28 und bestimmen einen mittigen Durchgang, wobei eine entsprechende mittige Öffnung in jedem Bauteil mit Ausnahme der Faraday-Scheibe 48 vorgesehen ist, welche massiv ausgebildet ist. An der Faraday-Scheibe 48 sind Antireflexionsbeläge angebracht, um die Reflexion an der Rotatoranordnung zu vermindern. Ein in Längsrichtung orientiertes Magnetfeld wird in der Faraday-Scheibe 48 erzeugt, doch schwächt sich dieses Feld rasch ab, wenn man sich ein kurzes Wegstück von den Magneten entfernt, so dass ein vernachlässigbares magnetisches Streufeld in die Gasentladungsbereiche des optischen Resonanzhohlraumes 16 hineinreicht, welches zur Anregung unerwünschter Schwingungsmoden oder zu einem Frequenzversatz führen würde. Die Faraday-Scheibe 48 ist vorzugsweise aus einem Glas mit Seltenerdendotierung oder einem Material mit einer ähnlich hohen Verdet-Konstanten hergestellt. Herkömmliche Faraday-Rotatoren verwendeten eine dicke Scheibe aus einem geeigneten Material, beispielsweise aus geschmolzenem Quarz. Jeder Feststoff in dem Ausbreitungsweg der entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen führt Streuzentren ein, welche gegenüber thermischen Einwirkungen empfindlich sind. Diese Empfindlichkeit kann auf einer thermischen Ausdehnung des Materials oder auf einer Änderung der optischen Weglänge aufgrund der Temperaturabhängigkeit des

Brechungsindexes des betreffenden Materials beruhen. Die effektive Temperaturabhängigkeit der optischen Weglänge und damit die thermisch eingeführte Drift sind, wie sich herausgestellt hat, in starkem Masse poisitiv von der Dicke des Feststoff-5 körpers abhängig, welcher sich in dem Ausbreitungsweg der Wellen befindet. Aus diesem Grunde ist es wünschenswert, eine möglichst dünne Scheibe als Faraday-Scheibe 48 zu verwenden. Eine Dicke von 0,5 mm oder darunter ermöglicht es, die Drift auf ein zulässiges Mass herabzusetzen. Dies vermindert die Ände-10 rung der Dicke aufgrund von Temperatureinfluss oder anderen Ursachen auf minimale Werte, nämlich im wesentlichen auf weniger als eine Wellenlänge der Laserwellen in dem betreffenden Betriebsbereich. Ein geeigneter Werkstoff ist unter der Bezeichnung FR-5 (Hoya Optics Inc.) im Handel erhältlich. Es 15 handelt sich um ein mit paramagnetischem Werkstoff dotiertes Glas, so dass eine Faraday-Drehung erreicht wird und sich ein Rotator ergibt, welcher einen isotropen Brechungsindex hat. Dies erwies sich als wesentlich, da eine Schwierigkeit bei einem herkömmlichen Faraday-Rotator darin besteht, dass das verwen-20 dete Kristallmaterial, beispielsweise kristallines Quarz, einen anisotropen Brechungsindex hat, der eine elliptische Doppelbrechung einführt. Dies ergibt eine Depolarisation der normalerweise zirkulär polarisierten Wellen und führt zu einer erhöhten Kopplung zwischen den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellenstrahlen. Es ist daher von Wichtigkeit, ein isotropes Material für die Herstellung der Faraday-Scheibe 48 zu verwenden, um eine Depolarisation der Resonanz-Schwingungsmoden zu vermeiden. Ein Betrieb mit zirkularer Polarisation so präzis wie möglich vermindert die Kreuzkopplung und vermindert 30 dadurch thermisch eingeführte Drifts aufgrund irgendwelcher verbliebenen Streuzentren. Dies ermöglicht ein Ringlaser-Dreh-geschwindigkeitsmesssystem, bei dem Stabilitätswerte erreicht werden, die einer zeitabhängigen Veränderung der Ausgangsfrequenz von einigen wenigen Hertz oder noch darunter, entspre-

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chen.

Es sei nun auf Fig. 7A Bezug genommen. Hier ist ein Axialschnitt durch einen Photonenabsorber 24 bzw. 26 gezeigt. Als Material zur Herstellung des Photonenabsorbers dient lichtabsorbierendes Filterglas 74, welches von der Firma Corning 40 Glass Company unter den Bezeichnungen CS 7-37 oder CS 7-60 bezogen werden kann. Zur weiteren Verbesserung der Wirksamkeit der Photonenabsorber sind an schräggestellten Flächen 75 der Photonenabsorber zwei Schichten aus Siliziumdioxid (Si02) und Titandioxid (Ti02) als Antireflexionsbeläge 70 und 72 ange-45 bracht. Die schräggestellte Stirnfläche 75 hat gegenüber der Achse solchen Winkel, dass dann, wenn ein Teil einer reflektierten Welle von dem Photonenabsorber weg reflektiert werden sollte, dieser Anteil der Wellenenergie aus dem Blockkörper 10 heraus und von der optischen Achse 60 weg gelenkt wird. Aus 50 den Fig. 7A und 7B ist eine Öffnung 76 in dem Photonenabsorber für den Durchtritt der regulären elektromagnetischen Wellen erkennbar. An der Unterseite des Photonenabsorbers 24 bzw. 26 befindet sich eine Abflachung 78, so dass eine Berillium-Kupfer-Befestigungsfeder 40 bzw. 42 V-förmiger Gestalt entsprechend 55 der in Fig. 8A und 8B gezeigten Ausbildung eine ausreichende Anlagefläche findet, um den betreffenden Photonenabsorber an seinem Platz in der Senkbohrung innerhalb des Resonanzhohlraumes des Blockkörpers 10 festhalten zu können. Die V-förmige Befestigungsfeder 40 bzw. 42 übt sowohl in Seitenrich-60 tung als auch in Längsrichtung eine Kraft aus, wenn sie zwischen einen Photonenabsorber und die Wand des optischen Resonanzhohlraumes eingedrückt ist.

In den Fig. 9A und 9B ist eine andere Ausführungsform eines Photonenabsorbers gezeigt, welcher reflektierte Lichtenergie 65 daran hindern soll, sich in die Haupt-Wellenstrahlen innerhalb des Ringlasers einzukoppeln. Der Photonenabsorber enthält ein schildartiges Teil 92 mit einem Absorptionsbelag 94. Das schildartige Teil 92 ist aus Berillium-Kupfer gefertigt und trägt auf

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seiner Oberfläche einen Absorptionsbelag aus Titan. Das schildartige Teil 92 hat die Gestalt einer dünnen Scheibe mit einer mittigen Öffnung 95 und einem schmalen Sektorausschnitt 96. Durch die mittige Öffnung können die Haupt-Laserwellen ungehindert durchtreten, wenn das schildartige Teil in den optischen Resonanzhohlraum eingesetzt ist. Das Einsetzen des schildartigen Teiles in den Resonanzhohlraum des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers geschieht mit einem in der Zeichnung nicht dargestellten Werkzeug, welches das schildartie Teil gemäss Fig. 9C in konische Form bringt. Die konische Form wird dadurch aufrecht erhalten, dass der äussere, kreisförmige Rand des schildartigen Teiles sich gegen die Innenwand des optischen Resonanzhohlraumes in dem betreffenden Abschnitt andrückt. Ein konisches, schildartiges Teil 97 kann als Photonenabsorber anstelle der aus Filterglas gefertigten Photonenabsorber 24 und 26 nach den Fig. 1 und 2 verwendet werden. Das schildartige Teil 97 hindert elektromagnetische Wellen am Durchtritt und am Eindringen in den Blockkörper 10, so dass sich solche reflektierten Wellen nicht mehr in die Haupt-Laserstrahlen einkoppeln können.

Es sei nun auf Fig. 10 Bezug genommen. Man erkennt die Photonenabsorber 24 und 26 in ihrer Anordnung innerhalb des Blockkörpers 10 mit der zugehörigen elektronischen Schaltung zur Aufrechterhaltung der Wellenausbreitung der elektromagnetischen Wellen innerhalb des optischen Resonanzhohlraumes 16. Der Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser gemäss dem bevorzugten Ausführungsbeispiel verwendet vier Wellen oder Frequenzen, welche entsprechend den oben erwähnten US-Patent-schriften verwendet bzw. ausgewertet werden. Die elektromagnetischen Laserwellen breiten sich in dem in sich geschlossenen oder ringförmigen Resonanzhohlraum 16 aus. Fig 11 zeigt in einer für das Lasermedium aufgezeichneten Verstärkungscharakteristik die Lage der Frequenzen der vier Wellen. Die Wellen mit den Freqenzen ft und f4 breiten sich im Uhrzeigersinn aus, während die Wellen mit den Frequenzen f2 und f3 im Gegenuhrzeigersinn umlaufen. Sämtliche vier Wellen sind vorzugsweise zirkulär polarisiert, wobei die Wellen mit den Frequenzen ^ und f2 linkssinnig zirkulär polarisiert sind, während die Wellen mit den Frequenzen f3 und f4 rechtssinnig zirkulär polarisiert sind.

Der in sich geschlossene Resonanzhohlraum 16 des Ringlasers gemäss Fig. 10 enthält einen nicht in einer ebene verlaufenden Wellenausbreitungsweg, welcher charakteristischerweise nur die zirkuläre Wellenpolarisation zulässt, wobei kein Kristall-rotator verwendet wird. Die Anordnung der Reflektoren 13,30, 32 und 38 in dem ringförmigen Resonanzhohlraum 16 bewirkt eine Phasenänderung, welche die Resonanzfrequenz der Wellen verändert. Dies führt zu dem in Fig. 11 gezeigten Ergebnis, dass die Wellen mit linkssinniger zirkularer Polarisation, nämlich die Wellen mit den Frequenzen fj und f2, eine Resonanzfrequenz haben, welche von der Resonanzfrequenz der rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen mit den Frequenzen f3 und f4 verschieden ist. Dieser nicht in einer Ebene verlaufende Resonanzhohlraum des Ringlasers ist in der US-Patentschrift 4110 045 beschrieben.

Die Faraday-Rotatoranordnung 28 befindet sich in einem der Abschnitte des nicht in einer Ebene liegenden Ausbreitungsweges des Resonanzhohlraums 16 zwischen den Reflektoren 30 und 32. Dieses nichtreziproke magneto-optische Bauelement erzeugt eine Phasenverschiebungsvorspannung für die Wellen beider Richtungssinne der zirkulären Polarisation, welche im Uhrzeigersinn umlaufen, welche von der Phasenverschiebungsvorspannung verschieden ist, die Wellen erteilt wird, welche entsprechende Polarisation aufweisen, jedoch im Gegenuhrzeigersinn sich ausbreiten. Die Kombination der Reflektoren 13,30,32 und 38 und der Faraday-Rotatoranordnung 28 ist derart wirksam, dass in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg des Resonanzhohlraumes 16 die in Fig. 11 eingezeichneten Frequenzen angeregt werden. Es lassen sich jedoch auch andere Mittel zum Erreichen desselben Zieles anstelle des Faraday-Rotators einsetzen. Eine derartige Anordnung verwendet den Zeeman-Effekt, wie dies in der US-Patentschrift 4229106 angegeben ist.

Ausser dem Blockkörper 10 mit den darin befindlichen Teilen 5 zeigt Fig. 10 die Verbindungen zu den zugehörigen elektronischen und optischen Bestandteilen des Systems. Eine Hochspannungsquelle 80 liefert eine negative hohe Spannung in die Kathode 34 und eine hohe positive Spannung an einen piezoelektrischen Treiber 82. Eine elektronische Steuereinrichtung 84 zur 10 Steuerung der Entladung bewirkt eine Regelung des Stromflusses von den Anoden zur Kathode. Jeweils anders ausgebildete Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser können andere Werte des Kathodenstromes erforderlich machen, je nachdem, welche optischen Verluste innerhalb des betreffenden Blockkörpers 15 auftreten.

Ein Regelsystem zur Regelung der optischen Weglänge bildet ein Rückkopplungsnetzwerk, welches eine gleichbleibende optimale optische Weglänge innerhalb des Resonanzhohlraumes 16 aufrechterhält. Das Rückkopplungsnetzwerk enthält einen 20 Detektor-Vorverstärker 86, eine Regeleinrichtung 88 zur Regelung der optischen Weglänge und den elektronischen Treiber 82 zur Erzeugung der Hochspannung für den piezoelektrischen Wandler 12. Wie bereits gesagt, ist zur Regelung der optischen Weglänge der Reflektor 13 an dem piezoelektrischen Wandler 12 25 angeordnet. Der Hochspannungstreiber 82 beaufschlagt den piezoelektrischen Wandler 12 mit einer Spannung im Bereich von 0 Volt bis 400 Volt. Nachdem stabile Betriebspunkte oder Schwingungsmoden an Intervallen der optischen Weglänge gleich einer halben Laserwellenlänge auftreten, wird derjenige 30 Schwingungsmodus als Dauerbetriebspunkt gewählt, welcher der Mitte des dynamischen Bereiches des Wandlers am nächsten liegt. Der Detektor-Vor Verstärker 86 trennt die Wechselspannungssignale und die Gleichspannungssignale, welche von der Ausgangsoptik 35 empfangen werden. Die Gleichspannungssi-35 gnale werden zur Regelung der optischen Weglänge verwendet. Die Wechselspannungssignale sind Sinuswellen, welche den Ausgang des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers bilden. Diese Signale gelangen zu der Signalverarbeitungsschaltung 90, wo sie in zwei Folgen digitaler Impulse (f]-f2 und f3-f4) umge-40 formt werden. Dabei wird ein Impuls für je eine Periode innerhalb der aufgenommenen Spannungswellen erzeugt. Eine Regeleinrichtung zur Regelung der optischen Weglänge ist genauer in der US-Patentschrift 4108553 beschrieben.

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Die Ausgangsoptik 35 koppelt einen Anteil jedes Wellenstrahls, welcher sich innerhalb des Resonanzhohlraums 16 ausbreitet, derart aus, dass die beiden Ausgangssignale fj-f2 und f3-f4 erzeugt werden können, wobei jedes der Signale die Differenz der Frequenzen von Wellenpaaren mit gleichem Sinn der zirkulären Polarisation innerhalb des Resonanzhohlraumes bei den in 50 Fig. 11 gezeigten Frequenzverhältnissen darstellt. Der Ausgangsreflektor 38 weist einen zur Übertragung dienenden Belag auf einer Seite und einen Strahlaufspaltungsbelag auf der anderen Seite auf. Beide Beläge sind an sich bekannter Art und enthalten einander abwechselnde Schichten von Ti02 und Si02. 55 Der Strahlaufspalterbelag lässt die Hälfte der einfallenden Strahlungsenergie durch und reflektiert die andere Hälfte. Ein rückreflektierendes Prisma 37 dient zur Überlagerung der beiden Laserstrahlen. Dieses rechtwinklige Prisma ist aus geschmolzenem Quarz hergestellt und besitzt versilberte Spiegelflächen oder 00 Reflexionsflächen. Zwischen der Silberschicht und dem geschmolzenen Quarz des Prismas ist ein dielektrischer Belag angeordnet, um bei der Reflexion minimale Phasenfehler einzuführen. Eine Viertelwellenplatte gefolgt von Polarisationsscheiben dient zur Trennung der vier Frequenzen, welche in jedem 65 Wellenstrahl enthalten sind. Ein Keilelement zwischen dem zurückreflektierenden Prisma und der Viertelwellenplatte verhindert, dass von den Trennflächen zwischen den Bauteilen reflektierte Wellen sich zurück in den Ringlaser-Resonanzhohl-

räum hinein ausbreiten und dort sich mit den gegenläufig umlaufenden Laserstrahlen vermischen. Eine Photodioden-Glasab-deckung mit einem Antireflexionsbelag auf einer Seite und eine Photodiodenanordnung vervollständigen die Ausgangsoptik 35.

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Die verschiedenen Einzelteile sind mit optischem Kitt zusammengehalten, welcher eine sichere Haftung und minimale Reflexionen gewährleistet. Eine detaillierte Beschreibung der Ausgangsoptik findet sich in der US-Patentschrift 4141651.

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5 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

656 707 2 PATENTANSPRÜCHE zeichnet, dass Absorptionseinrichtungen bzw. die Absorptionseinrichtungen derart angeordnet sind, dass sie elektromagneti-

1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser, bei welchem sehe Wellen absorbieren, welche von den eine polarisationsrich- . innerhalb eines in sich geschlossenen, ein Verstärkermedium tungsabhängige Phasenverschiebung einführenden Bauteilen des enthaltenden Wellenausbreitungsweges (16) eine Mehrzahl von 5 Wellenausbreitungsweges (16) reflektiert wird, elektromagnetischen Wellen anregbar sind, welche sich in dem 12. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche Ausbreitungsweg in zueinander entgegengesetzter Richtung aus- 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der in sich geschlossene breiten, wobei Einrichtungen (28) zur Erzeugung einer ausbrei- Wellenausbreitungsweg (16) nicht in einer Ebene liegend ausge-tungsrichtungsabhängigen Phasenverschiebung in den elektro- bildet ist, derart, dass in ihm sich in zueinander entgegengesetzmagnetischen Wellen vorgesehen sind, welche zu einer Fre- 10 ten Richtungen ausbreitende, zirkulär polarisierte Wellen anreg-quenzaufspaltung zwischen den Wellen mit zueinander entge- bar sind.

gengesetzter Ausbreitungsrichtung führt, gekennzeichnet durch 13. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 11 oder 12,

Absorptionseinrichtungen (24,26) zur Absorption derjenigen dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrichtungen aus elektromagnetischen Wellen, welche von den Einrichtungen (28) lichtabsorbierendem Filterglas gefertigt sind oder diesen Werk-

zur Erzeugung der ausbreitungsrichtungsabhängigenPhasenver- 15 Stoff enthalten.

Schiebung reflektiert werden. 14. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 13, dadurch

2. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Ansprach 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionsemrichtungen durch eine gekennzeichnet, dass das Verstärkermedium eine Helium-Neon- bzw. jeweils eine Befestigungsvorrichtung in dem in sich Gasmischung, welche durch eine elektrische Entladung zwischen geschlossenen Wellenausbreitungsweg (16) festgehalten sind, einer oder mehreren Anoden (14,36) und einer Kathode (34) 20 15. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 11 oder 12, anregbar ist, enthält oder aus einer solchen Gasmischung be- dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrichtungen ein steht. schildartigesTeil enthalten, welches mit einem lichtabsorbieren-

3. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, den Belag versehen ist.

dadurch gekennzeichnet, dass der in sich geschlossene Wellen- 16. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 15, dadurch ausbreitungsweg (16) durch eine Anzahl von Reflektoren (13,30, gekennzeichnet, dass das schildartige Teil konische Gestalt be-

32,38) bestimmt ist, welche die elektromagnetischen Wellen in sitzt.

dem Ausbreitungsweg rundum führen. 17. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 15 oder 16,

4. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 dadurch gekennzeichnet, dass das schildartige Teil Berillium-bis3, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtungen zur Erzeu- Kupfer enthält oder hieraus besteht.

gung der ausbreitungsrichtungsabhängigen Phasenverschiebung 30 18. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche magneto-optische Mittel (47, 48, 52) enthalten. 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrich-

5. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 tungen (24,26) jeweils längs des Wellenausbreitungsweges (16) bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung zur Erzeu- auf beiden Seiten eines unerwünschte Reflexionen der elektro-gung der ausbreitungsrichtungsabhängigen Phasenverschiebung magnetischen Energie erzeugenden Bauelementes (28) jeweils in gegenüber der optischen Achse (60), in dem diese Einrichtung durch Senkbohrungen (23,27) gebildeten Kammern unterge-enthaltenden Abschnitt des in sich geschlossenen Wellenausbrei- bracht sind.

tungsweges (16) derart schräggestellt sind, dass an den Einrich- 19. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche tungen zur Erzeugung der ausbreitungsrichtungsabhängigen 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die eine ausbreitungsrich-Phasenverschiebung reflektierte Wellenenergie unter einem tungsabhängige Phasenverschiebung erzeugenden Einrichtunbestimmten Ablenkungswinkel (61) gegenüber der Richtung der 40 gen einen Faraday-Rotator (28) enthalten.

Ausbreitung der durch die genannten Einrichtungen (28) hin- 20. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche durchgelangenden elektromagnetischen Wellen sich von den 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrich-

genannten Einrichtungen (28) weg zu den Absorptionseinrich- tungen (24,26) jeweils einen Durchbruch oder eine Bohrung (76

tungen (24,26) hin sich ausbreitet. bzw. 95) aufweisen, durch welche die nicht absorbierte elektro-

6. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 45 magnetische Energie der erwünschten Wellen hindurchzutreten bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrichtun- vermag.

gen als Werkstoff lichtabsorbierendes Filterglas enthalten oder 21. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 7 oder hieraus bestehen. Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsvor-

7. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 richtung ein Federelement (40,42) enthält, welches die Absorp-bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrichtun- 50 tionseinrichtungen (24,26) durch eine seitlich und in Längsrich-gen (24,26) mittels einer bzw. jeweils einer Befestigungsvorrich- tung wirkende Kraft in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitung (40,42) in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungs- tungsweg (16) bzw. in dessen Senkbohrungen (23, 27) festhält, weg (16,23,27) festgehalten sind. 22. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche

8. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrich-bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrichtun- 55 tungen (24,26) mit einem bzw. jeweils einem Antireflexionsbe-gen ein bzw. jeweils ein schildartiges Teil (92,97) enthalten, auf lag (70, 72 bzw. 94) versehen sind.

welchem ein Absorptionsbelag (94) angeordnet ist. 23. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 22, dadurch

9. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Antireflexionsbelag aus einer Anzahl gekennzeichnet, dass das schildartige Teil (92,97) konische von Schichten aus Siliziumdioxid und Titandioxid gebildet ist. Gestalt besitzt. 60 24. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche

10. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 8 oder 9, 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrich-dadurch gekennzeichnet, dass das schildartige Teil (92,97) aus tungen (24,26) derart ausgebildet (75,97) sind, dass an ihnen Berillium-Kupfer gefertigt ist. wiederum auftretende Reflexionen aus dem Ausbreitungsweg

11. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche der in entgegengesetzter Richtung zueinander umlaufenden 1 bis 10, bei welchem in dem in sich geschlossenen Wellenaus- 65 elektromagnetischen Wellen heraus abgelenkt werden, breitungsweg (16) jeweils Paare sich entgegengesetzt zueinander 25. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 24, dadurch ausbreitender Wellen des einen und des anderen Richtungssin- gekennzeichnet, dass die Absorptionseinrichtungen (24,26) zur nes der zirkulären Polarisation anregbar sind, dadurch gekenn- optischen Achse des betreffenden Abschnittes des in sich

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geschlossenen Wellenausbreitungsweges (16) nicht normal orientierte Stirnflächen (75 bzw. 97) aufweisen.

Eine bewährte Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser-Kon-struktion sieht die Verwendung von vier Wellen in zwei Paaren von sich jeweils in entgegengesetzter Richtung zueinander ausbreitenden Wellen vor. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser dieser Art sind in den US-Patentschriften 3 741657,3 854 819 und 4 006 989 beschrieben. In den bekannten Lasersystemen ist eine zirkuläre Polarisation jeder der vier Wellen vorgesehen. Die Wellenpaare oder Strahlen, welche sich im Ringraum im Uhrzeigersinn ausbreiten, weisen ebenso wie die Wellen desjenigen Weilenpaares, dessen Ausbreitungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn orientiert ist, linkssinnig zirkulär polarisierte Wellen und rechtssinnig zirkulär polarisierte Wellen auf. Derartige mit vier Frequenzen arbeitende Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser geben die Möglichkeit, das Frequenzeinrastproblem, d. h. den «Lock-in»-Effekt zu vermeiden, der bei allen herkömmlichen Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern mit zwei Frequenzen auftritt. Dieser «Lock-in»-Effekt ist zu beobachten, wenn zwei sich in entgegengesetzter Richtung im Resonanzhohlraum ausbreitende Wellen nur wenig unterschiedliche Frequenz besitzen und dann frequenzmässig aufeinander hingezogen werden, so dass eine einzige Frequenz der stehenden Welle entsteht. Wenn jedoch die Frequenzen der sich entgegengesetzt zueinander ausbreitenden Wellen ausreichend unterschiedlich sind, so tritt ein Zusammenwandern der Frequenzen nicht auf. Die Lösung mit vier Frequenzen kann als ein System mit zwei unabhängigen Laserkreiseln beschrieben werden, die in einem einzigen stabilen Resonanzhohlraum betrieben werden und einen gemeinsamen optischen Ausbreitungsweg miteinander teilen, jedoch statisch durch dasselbe passive Vorspannungselement in entgegengesetztem Sinne frequenzmässig vorgespannt sind. In dem differentiel-len Ausgang der beiden Laserkreisel löscht sich die Vorspannung dann aus, während Signale, welche auf einer Drehung des Systems beruhen, sich zueinander addieren, wodurch die üblichen Probleme aufgrund von Verschiebungen der Vorspannung vermieden werden und eine Empfindlichkeit erhalten wird, welche das doppelte der einfachen Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit zwei Frequenzen ist. Da die Vorspannung nicht moduliert oder gewobbelt werden muss, durchläuft der Ringla-ser-Drehgeschwindigkeitsmesser zu keinem Zeitpunkt einen «Lock-in»-Zustand. Es treten somit keine durch die Wobbelung eingeführten Fehler auf, welche die Eigenschaften des Gerätes verschlechtern. Aus diesen Gründen ist ein Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser, welcher mit vier Frequenzen arbeitet, ohnehin bereits ein Gerät mit niedrigem Störpegel und ist besonders gut geeignet für Anwendungsfälle, bei denen eine rasche Angabe aktueller Positionsdaten oder eine hohe Auflösung gefordert wird.

Die vier unterschiedlichen Frequenzen werden normalerweise durch Ausnützen zweier verschiedener optischer Effekte erzeugt. Zum einen wird ein Kristall-Polarisationsrotator verwendet, um eine von der Ausbreitungsrichtung unabhängige Polarisationsdrehung zu erzeugen, so dass die in Resonanz befindlichen Wellen in jeweils verschiedenem Sinne zirkulär polarisiert sind. Die vom Polarisationssinn abhängige Drehung der Polarisation resultiert daraus, dass der Brechungsindex des die Rotation bewirkenden Mediums für rechtssinnig zirkulär polarisierte Wellen und für linkssinnig zirkulär polarisierte Wellen leicht unterschiedlich ist. Es kann aber auch ein nicht in einer Ebene liegender, in sich geschlossener Ausbreitungsweg vorgesehen sein, der charakteristischerweise nur zirkulär polarisierte Wellen zulässt, wobei ein Kristallrotator nicht verwendet zu werden braucht. Nicht in einer Ebene gelegene elektromagnetische Ringlaser-Resonanzhohlräume sind etwa in der US-Patentschrift 4110 045 beschrieben.

Zum anderen dient ein Faraday-Rotator zur Erzeugung einer nicht-reziproken Polarisationsdrehung, wobei der Faraday-Rotator für sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Wellen gegenüber sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Wellen einen 5 geringfügig unterschiedlichen Brechungsindex hat. Dies bewirkt, dass sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreitende Wellen mit rechtssinnig zirkularer Polarisation eine geringfügig unterschiedliche Schwingungsfrequenz haben, während die sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden 10 linkssinnig zirkulär polarisierten Wellen eine entsprechende, jedoch entgegengesetzte Frequenzaufspaltung erleiden. Ein Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser der hier interessierenden Art arbeitet also mit rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen, welche mit Bezug auf die eine Drehrichtung vorgespannt sind 15 und mit linkssinnig zirkulär polarisierten Wellen, welche mit Bezug auf die entgegengesetzte Drehrichtung vorgespannt sind, wobei sich die Vorspannungen auslöschen, indem die beiden Ausgänge voneinander subtrahiert werden.

Obwohl ein Faraday-Rotator eine nichtreziproke Polarisa-20 tionsdrehung bewirkt und mit Antireflexionsbelägen auf beiden Seiten seines Glaswerkstoffs versehen ist, rersultiert seine Anordnung in dem optischen Ausbreitungsweg doch noch in einer Reflexion bestimmter Lichtenergieanteile. Um nun diese reflektierte Energie daran zu hindern, sich mit den sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Hauptwellen zu mischen, müssen die reflektierten Wellen absorbiert oder durch Reflexion aus dem Ausbreitungsweg der Hauptwellen abgelenkt werden.