DE1288346B - Ringlaser zur Feststellung der Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung - Google Patents

Description

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Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringlaser zur Anzeigewertes überlagert werden, kann die Drehzahl Feststellung der Drehgeschwindigkeit und Drehrich- des Pfades bestimmt werden. Die Frequenz des Antung mit durch Laser und Reflexionsspiegeln erzeug- zeigewertes liefert unmittelbar eine Anzeige der Drehtem polygonalem optischem Pfad und mit Mitteln, geschwindigkeit.

durch die die im optischen Pfad in entgegengesetzten 5 Es hat sich gezeigt, daß die Genauigkeit der Fest-Richtungen umlaufenden Strahlen überlagert werden. stellung der Frequenz der Schwebung von der VerVorrichtungen zur Feststellung der Drehung in wirklichung gewisser Forderungen abhängt, die an Gestalt eines Ringlasers wurden entwickelt, um die einen Ringlaser gestellt werden. Es ist z. B. wichtig, gestellte Aufgabe der Feststellung der Drehung bei daß der Lichtverlust in dem geschlossenen optischen gebräuchlichen mechanischen Einrichtungen, z. B. io Pfad so klein wie möglich gehalten wird, damit die bei Kreiselgeräten, lösen zu können, ohne bewegliche Laserwirkung mit einer minimalen Erregung statt-Teile zu benutzen. Vorrichtungen zur Feststellung finden kann. Eine minimale Erregung des aktiven der Drehung in Gestalt von Ringlasern, die nach den Lasermaterials vermindert die Wahrscheinlichkeit klassischen Lehren von G. Sagnac, P. A. Michel- fehlerhafter Laserarbeitsweise bei einer Vielzahl son und G. H. GaIe entworfen waren, arbeiten in 15 unterschiedlicher Frequenzen. Es ist erwünscht, daß der Weise, daß die Frequenzverschiebung, der zwei die beiden in Gegenrichtung rotierenden Lichtstrah-Lichtstrahlen unterworfen sind, die in entgegen- len im wesentlichen monochromatisch sind, so daß gesetzten Richtungen um einen rotierenden geschlos- die von der Überlagerung der beiden Strahlen hersenen Pfad laufen, als Maß des Betrages der Pfad- rührende Schwebung die Rotationsgeschwindigkeit rotation benutzt wird. Bei den klassischen Ein- 20 genau anzeigt. Ein weiteres Erfordernis, das an richtungen dieser Art werden die im Gegensinn rotie- einen solchen Ringlaser zu stellen ist, besteht darin, renden Lichtstrahlen von Lichtquellen erhalten, die daß eine Einrichtung vorgesehen ist, durch welche inkohärentes Licht aussenden und außerhalb des ge- die Drehrichtung festgestellt werden kann. Bei einem schlossenen optischen Pfades angeordnet sind. Das bekannten Ringlaser ist zu diesem Zweck außerhalb Ergebnis war eine verhältnismäßig schlechte Unter- 25 des geschlossenen Pfades ein weiterer Laser vorgescheidung der Frequenzverschiebung. Bei dem Ring- sehen, dessen in der Frequenz etwas abweichender laser werden jedoch die gegensinnig rotierenden Strahl einem der ausgespiegelten Strahlen überlagert Strahlen durch kohärente Lichtquellen (Laser) er- wird, so daß bei Stillstand eine bestimmte Schwezeugt, die innerhalb des sich drehenden geschlos- bungsfrequenz erzeugt wird. Bei Drehung kann dann senen optischen Pfades angeordnet sind und einen 30 aus der Verminderung oder Erhöhung der Schwe-Teil desselben bilden. Die Benutzung kohärenten bungsfrequenz die Richtung der Drehung abgelesen Lichtes macht die Messung sehr viel kleinerer Dreh- werden. Die Drehgeschwindigkeit ergibt sich aus der zahlen möglich, wobei^;sehr viel geringere Pfadlängen - Differenz der Schwebungsfrequenz. '■

benutzt werden können, als dies bei den herkömm- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die

liehen Geräten der Fall war. 35 Drehrichtung ohne Verwendung des bei der bekann-

Ein Gerät zur Feststellung der Drehgeschwindig- ten Anordnung erforderlichen zusätzlichen Lasers keit in Gestalt eines Ringlasers ist in den Zeitschrif- feststellen zu können.

ten »Aviation Week« vom 11. Februar 1963, S. 98/99, Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch

und »Applied Physics Letters« vom 1. Februar 1963, gelöst, daß eine Einrichtung im geschlossenen Pfad S. 67 und 68, beschrieben. Dieser Laser weist eine 40 vorgesehen ist, durch die eine Differenz in der wirkkohärente Lichtquelle auf, die in einem ebenen, samen optischen Pfadlänge eines der Strahlen erzeugt rechtwinklig geschlossenen optischen Pfad liegt. Die wird. Durch diese Veränderung der optischen Pfad-Quelle erzeugt zwei Strahlen kohärenten Lichtes, die länge ergibt sich bei Stillstand des Systems ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen um diesen Pfad eine vorbestimmte Schwebungsfrequenz, und auch laufen. Jeder Lichtstrahl kehrt in den Pfad nach 45 hier kann bei Drehung aus der Abnahme- oder Zueinem kurzen, aber meßbaren Zeitintervall zurück, nähme der Schwebungsfrequenz auf die Drehrichtung das erforderlich ist, um die Schleife mit der end- geschlossen werden. Der Vorteil dieser erfindungslichen Lichtgeschwindigkeit zu durchlaufen. Wenn gemäßen Anordnung besteht gegenüber dem bekannder Lichtpfad veranlaßt wird, sich um eine Achse ten Laser darin, daß diese Schwebungsfrequenz für rechtwinklig zur Ebene des Pfades zu drehen, erfor- 50 den Stillstand durch wesentlich einfachere Mittel, dert ein Strahl in der gleichen Richtung wie die Dre- nämlich lediglich durch optisch wirksame Mittel, hung ein etwas längeres Zeitintervall, um zu dem innerhalb des geschlossenen Pfades bewirkt wird.
Ausgangspunkt zurückzugelangen. Die wirksame, Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfin-

von dem Strahl durchlaufene Pfadlänge wird um die dung besteht die Differenz-Erzeugungseinrichtung Entfernung vergrößert, um die sich der Ausgangs- 55 aus einer Platte doppeltbrechenden Materials, die punkt bewegt, während der Strahl den Pfad einmal zwischen zwei Faraday-Elementen liegt. Hierdurch durchläuft. Ein Lichtstrahl, der in der der Pfad- wird auf einfache und betriebssichere Weise die Umdrehung entgegengesetzten Richtung läuft, kehrt wirksame optische Länge des einen Pfades gegenüber innerhalb eines kürzeren Zeitintervalls nach seinem der optischen Länge des entgegengesetzten Pfades Ausgangspunkt zurück, weil die wirksame Länge für 60 verändert.

ein vollständiges Durchlaufen des Pfades verkürzt ist. Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Er-

Die Differenz in den Pfadlängen, die von den beiden findung an Hand der Zeichnung beschrieben.
Strahlen durchlaufen werden, und demgemäß die Der Ringlaser besitzt drei Gaslaserröhren 1, 2

Differenzfrequenz zwischen den beiden Strahlen ist und 3, die von einem drehbaren Bauteil 4 getragen von der Drehzahl des geschlossenen Pfades abhängig. 65 werden, derart, daß die Längsachsen der Gaslaser-Dadurch, daß die in entgegengesetzter Richtung röhren in einer Ebene liegen. Gemäß einem bevorrotierenden Strahlen aus dem geschlossenen Pfad zugten Ausführungsbeispiel ist jede Laserröhre mit herausgezogen werden und zwecks Erzeugung eines einem Helium-Neon-Gasgemisch gefüllt. Jede der

Laserröhren ist mit zwei geneigten, optisch flachen aus dem Ringhohlraum abgezogen, ohne daß die Zir-Fenstern, z. B. dem Fenster 5 des Lasers 3 und dem kulation des Strahls innerhalb des Hohlraums unterFenster 6 des Lasers 2, ausgestattet. Jedes Ausgangs- brachen würde. Der im Uhrzeigersinnn rotierende fenster ist schräg gestellt, derart, daß sich die Nor- Strahl wird teilweise durch den Spiegel 15 durchgemale im Brewsterschen Winkel gegenüber der Längs- 5 lassen, durch den Spiegel 22 reflektiert und teilweise achse des betreffenden Laserrohres befindet. Wenn durch einen Spiegel 23 längs der Achse 24 durchdie Fenster aus Glas bestehen, liegt der Winkel zwi- gelassen. Der im Gegenuhrzeigersinn rotierende Strahl sehen der Normalen der Fensteroberfläche und der wird teilweise durch den Spiegel 15 durchgelassen, Längsachse des entsprechenden Gaslasers bei unge- durch die Spiegel 25 und 23 reflektiert und längs der fähr 57°. io Achse 24 gerichtet. Die beiden längs der Achse 24

Das Gas in jedem Laserrohr wird durch Anlegen wandernden Strahlen treffen auf einen Photodetektor

eines Hochfrequenzerregungspotentials zur Fluores- 26, der ein elektrisches Ausgangssignal in der üb-

zenz veranlaßt. Das Potential liefert die Quelle 7. liehen Weise erzeugt, welches eine Frequenz hat, die

Das Erregungssignal wird durch Kabel, z. B. Kabel 8 der Differenzfrequenz zwischen den einfallenden

und 9, Anpassungsnetzwerken, z. B. einem Netzwerk 15 Lichtstrahlen gleich ist.

10, zugeführt. Jedes Netzwerk ist seinerseits mit zwei Die Brewster-Winkelfenster bewirken, daß jede der

Elektroden, z. B. den Elektroden 11 und 12, verbun- Gasröhren in dem Ringhohlraum im wesentlichen in

den. Das durch die Fluoreszenz des erregten Gases einer einzigen Polarisationsweise schwingt. Nur die

erzeugte Licht tritt aus den Brewster-Fenstern an linear polarisierte Art, die durch die Fenster ohne

beiden Enden des Laserrohres aus. Die Fluoreszenz, 20 Reflexion übertragen wird, absorbiert Erregungs-

die innerhalb des Laserrohres erzeugt wird, ist im energie.

wesentlichen unpolarisiert. Beim Durchtritt durch Die Orientierung der Eckspiegel, durch welche be-

das Fenster an beiden Enden des Rohres wird das wirkt wird, daß das linear polarisierte Licht senkrecht

Licht jedoch eben polarisiert, d. h., das Licht wird zur Einfallebene gestellt wird, vermindert Verluste,

in jener Ebene linear polarisiert, die durch die 25 die andernfalls auftreten würden, wenn das eben

Normale zu dem Fenster und die Längsachse des polarisierte Licht nicht senkrecht zur Einfallsebene

Gasrohres bestimmt wird. stände. Wenn die senkrechte Ausrichtung nicht ge-

Das aus jedem Gasrohr austretende Licht wird troffen wird, würde elliptisch polarisiertes Licht rerings um einen geschlossenen rechteckigen optischen flektiert werden, und dieses würde nicht ohne VerPfad geleitet, in dem Eckreflektoren 13., 14, 15 und 30 luste durch das Brewster-Winkelfenster treten, das in 16 mit mehreren dielektrischen Schichten vorgesehen dem Resonanzring am nächsten folgt. Demgemäß sind. Um das Problem der optischen Ausrichtung zu wird durch das beschriebene Ausführungsbeispiel der erleichtern, ist es zweckmäßig, einen sphärischen Lichtverlust der beiden im Gegensinn rotierenden Spiegel an einer der Ecken zu benutzen und an den Strahlen vermindert, und es ist eine geringere Erreübrigen drei Ecken ebene Spiegel. So kann z. B. der 35 gung erforderlich, um die Laserwirkung aufrechtzu-Spiegel 16 als sphärischer Spiegel ausgebildet sein erhalten. Die verminderte Erregung verringert die und die Spiegel 13, 14 und 15 als ebene Spiegel. In Zahl der fehlerhaften Laserarbeitsweisen, so daß sich dem speziellen Fall, in welchem der Abstand zwi- in dem Ring noch besser angenäherte monochromaschen benachbarten Ecken 1 m beträgt, kann der tische kohärente Lichtstrahlen ausbreiten, so daß ein Krümmungsradius des Spiegels 16 8 m betragen. 4° noch schärfer definierter Schwebungston erzeugt Jeder der Spiegel 13, 14, 15, 16 ist gegenüber den wird, wodurch eine genaue Bestimmung der Ring-Gasröhren derart angeordnet, daß der eben polari- geschwindigkeit möglich wird,
sierte Lichtstrahl der Gasröhren senkrecht zur Ein- Es kann gezeigt werden, daß die Frequenz der fallebene liegt. Es ist zweckmäßig, die ebenen Spiegel durch den Photodetektor 26 erzeugten Schwebung senkrecht zur Basis 4 anzuordnen und jedes Gasrohr 45 durch den Sinn der Frequenzdifferenz zwischen den so zu drehen, daß das erzeugte Licht senkrecht zur im Gegensinn rotierenden Lichtstrahlen nicht beein-Basis 4 eben polarisiert ist. Ein Steuerknopf zur Ein- trächtigt wird. Demgemäß kann beim Fehlen der von stellung der Neigung des Spiegels (z. B. der Knopf 17 den Faraday-Element 19 und 20 und des doppelt- und der Knopf 18) ist für jeden Spiegel vorgesehen, brechenden Materials 21 durchgeführten Funktionen um die ordnungsgemäße Ausrichtung des Spiegels 50 der Drehsinn des Ringlasers nicht aus der Schwebung gegenüber dem eben polarisierten Licht, das aus den abgeleitet werden, d. h., die gleiche Schwebungsfre-Gasrohren austritt, zu erleichtern. quenz wird bei gleichen, aber entgegengesetzten

Zunächst soll die Arbeitsweise der Faraday-Ele- Drehungen des Ringlasers erzeugt. Derartige Zweimente 19 und 20 und des doppeltbrechenden Mate- deutigkeiten bezüglich der Drehrichtung werden darials 21 vernachlässigt werden, die längs einer Seite 55 durch vermieden, daß eine Frequenzverschiebung des optischen Pfades angeordnet sind, und zwar zwi- zwischen den im Gegensinn rotierenden Strahlen bei sehen den Spiegeln 13 und 14. Die Kombination der Stillstand des Ringlasers vorgenommen wird. Dies drei Gasrohre und der vier Eckspiegel bildet einen ist der Zweck der Faraday-Elemente 19, 20 und des Ringlaser, d. h. einen Laser mit einem geschlossenen doppeltbrechenden Materials 21.
Resonanzhohlraum. Der Ringlaserhohlraum hat die 60 Die Frequenzverschiebungseinrichtung kann vollaußerordentlich wichtige Eigenschaft, daß er zwei ge- ständig dem linear polarisierten Licht der im Gegengenseitig ausschließende, in Gegenrichtung laufende sinn rotierenden Strahlen angepaßt werden, von Resonanzwellensysteme zu erzeugen gestattet. Leistung denen die Wirksamkeit und Genauigkeit des Ringvon diesen beiden Wanderwellensystemen wird über lasers abhängt. Das Element 20 empfängt den im den Eckspiegel 15 abgezogen, der ebenso wie die 65 Gegenuhrzeigersinn rotierenden, linear polarisierten Spiegel 13, 14 und 16 teilweise für das auftreffende Strahl, der durch den strichlierten Vektor 27 darge-Licht durchlässig ist. Auf diese Weise wird Licht von stellt wird, und dreht seine Polarisationsebene um den beiden in Gegenrichtung rotierenden Strahlen 45° in die Stellung, die durch den strichlierten Vektor

Claims (1)

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   28 dargestellt wird. In gleicher Weise empängt das stellung der vertikalen Polarisation gestattet es, daß Element 19 den im Uhrzeigersinn rotierenden, linear sich die im Gegensinn rotierenden Strahlen mit einem polarisierten Strahl, der durch den ausgezogenen minimalen Verlust durch den übrigen Teil der geVektor 29 dargestellt ist, und dreht dessen Polari- schlossenen Schleife des optischen Pfades ausbreiten sationsebene um 45° in die Stellung, die durch den 5 können, so daß die Wirksamkeit und Genauigkeit des ausgezogenen Vektor 30 dargestellt wird. Die Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsfühlers gewährleistet Vektoren 28 und 30 sind räumlich zueinander um bleibt. Das Material 21 kann irgendein natürliches 90° an ihren Enden des doppeltbrechenden Materials oder elektrisch gesteuertes doppeltbrechendes Mate-21 angeordnet. Das eben polarisierte Licht, das durch rial sein, das für die im Gegensinn rotierenden Strahdie Vektoren 28 und 30 dargestellt wird, breitet sich io len transparent ist. Die bekannten Brechungsindizes, in entgegengesetzten Richtungen durch das doppelt- die den gegensinnig rotierenden Strahlen dargeboten brechende Material 21 aus, dessen Hauptachse auf werden, welche sich längs der Hauptachsen des gedie senkrechten Polarisationsebenen der gegensinnig wählten doppeltbrechenden Materials ausbreiten, errotierenden Lichtstrahlen ausgerichtet ist. Infolge- zeugen eine vorbestimmbare Frequenzverschiebung dessen erfährt jeder der beiden gegensinnig rotieren- 15 zwischen den beiden Strahlen, wenn der Ringlaser den Strahlen einen unterschiedlichen Brechungsindex stillsteht. Die Frequenzverschiebung erzeugt eine bebei Ausbreitung durch das Material 21 und wird kannte Schwebungsfrequenz am Ausgang des Photoeiner entsprechend unterschiedlichen Verzögerung detektors 26. Deshalb kann sowohl die Drehzahl als unterworfen. auch der Drehsinn des Ringlasers einfach dadurch

   Die Pfadlängendifferenz ΔI, die äquivalent der 30 bestimmt werden, daß die Frequenz der Schwebung Differenz zwischen den Verzögerungen ist, denen die gemessen wird und daß die bekannte Frequenzver-Strahlen beim Durchtritt durch das doppeltbrechende Schiebung von der gemessenen Schwebungsfrequenz Material unterworfen werden, bewirkt, daß die subtrahiert wird.

   Länge I des geschlossenen optischen Pfades (in Das Material 21 ist für linear polarisierte Licht-

   Abwesenheit des Materials 21), bei einem Strahl be- 25 strahlen doppeltbrechend, die senkrecht zueinander trachtet, sich um einen bestimmten Betrag ändert. orientiert sind. Der Zweck der Elemente 19 und 20 Die Änderung in der Pfadlänge ihrerseits erzeugt eine besteht nur darin, die vertikal polarisierten, im Geentsprechende Verschiebung {Δ f) zwischen den Fre- gensinn rotierenden Strahlen mit einem solchen dopquenzen der im Gegensinn rotierenden Lichtstrahlen peltbrechenden Material ordnungsgemäß zu koppeln, im wesentlichen gemäß dem Ausdruck 30 Es können andere äquivalente Anordnungen vorge

   sehen werden, durch welche die im Gegensinn rotie-

   Af — f renden Strahlen auf unterschiedliche Weise verzögert

   / ' werden, um eine Frequenzaufspaltung oder Verschie

   bung zu erzeugen. Wenn das gewählte Material eine

   Dabei stellt / die Frequenz dar, die beiden Strahlen 35 Doppelbrechung bei einem anders als linear polaribeim Fehlen des Materials 21 eigen wäre. Das dop- sierten Licht erzeugt, müßte die den Elementen 19 peltbrechende Material 21 erzeugt eine Frequenzver- und 20 entsprechende Koppelanordnung entsprechend Schiebung, die größer ist als die Frequenzverschie- modifiziert werden. Die Koppelanordnung könnte bung, die von der maximalen Ringlaserdrehung zu er- z. B. aus Viertelwellenplatten bestehen, um die vertiwarten ist. Eine übermäßige Frequenzverschiebung, 40 kai polarisierten, im Gegensinn rotierenden Strahlen die von einer unnötig großen Länge des Materials 21 in zwei gegensinnig rotierende, zirkulär polarisierte herrühren könnte, soll vermieden werden, damit Strahlen umzuwandeln, wenn das gewählte Material Lichtverluste des durch das Material tretenden für Licht dieser Polarisationsart doppeltbrechend Strahles vermindert werden. wäre. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel

   Der im Gegenuhrzeigersinn wandernde Strahl, der 45 wurden drei Gaslaser benutzt, es können aber auch durch den Vektor 28 dargestellt wird, wird durch den ein Laserrohr oder auch zwei bei einer sonst gleichen strichlierten Vektor 31 dargestellt, nachdem der Ausbildung des Ringhohlraumes benutzt werden. Der Strahl durch das Material 21 hindurchgetreten ist. Hohlraum mit geschlossener Schleife braucht nicht Die Polarisationsebene des Strahles wird in die Verti- rechteckig zu sein, sondern kann die Gestalt irgendkalebene zurückgeführt, die durch den strichlierten 50 eines Polygons haben, z. B. kann er dreieckig sein. Vektor 32 dargestellt wird, nachdem der Strahl durch Die Erfindung kann nicht nur durch Benutzung

   das Element 19 hindurchgetreten ist. An die Elemente eines Gaslasers realisiert werden, sondern auch in 19 und 20 werden entgegengesetzt gerichtete axiale Verbindung mit Rubinlasern, deren Enden so abge-Magnetfelder angelegt, so daß entgegengesetzte schnitten sind, daß sie ein Brewster-Winkelfenster Drehungen durch einen gegebenen Strahl auftreten. 55 bilden, um linear polarisiertes Licht auf die beschrie-In gleicher Weise wird der im Uhrzeigersinn rotie- bene Weise zu erzeugen. Gaslaser sind in gewissen rende Strahl, der durch den Vektor 30 dargestellt ist, Fällen vorzuziehen, weil sie leichter für kontinuiernach Durchlaufen des Materials 21 durch den Vektor liehen Betrieb, jedenfalls beim augenblicklichen Stand 33 dargestellt. Die Polarisationsebene des Strahles der Technik, herstellbar sind, wird in die Vertikalebene zurückgeführt, die durch 60

   den ausgezogenen Vektor 34 dargestellt ist, wenn der Patentansprüche:

   Strahl durch das Element 20 vertreten ist. Die Winkeldrehung der beiden Elemente 19 und 20 löschen 1. Ringlaser zur Feststellung der Drehgeschwinsich gegenseitig aus, so daß jeder der beiden gegen- digkeit und Drehrichtung mit durch Laser und sinnig rotierenden Strahlen nach Durchtritt der Fre- 65 Reflexionsspiegeln erzeugtem polygonalem opquenzverschiebungseinrichtung, die die Elemente 19 tischem Pfad und mit Mitteln, durch die die im und 20 und das doppeltbrechende Material 21 ent- optischen Pfad in entgegengesetzten Richtungen hält, wieder vertikal polarisiert ist. Die Wiederher- umlaufenden Strahlen überlagert werden, da-

   durch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung im geschlossenen Pfad vorgesehen ist, durch die eine Differenz in der wirksamen optischen Pfadlänge eines der Strahlen erzeugt wird.

   2. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz-Erzeugungseinrich-

   tung aus einer Platte (21) doppeltbrechenden Materials besteht, die zwischen zwei Faraday-Elementen (19, 20) liegt.

   3. Ringlaser nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß Gaslaser verwendet werden.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   909 505/1114