DE2138929C3 - Ringlaser - Google Patents
RinglaserInfo
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Description
Welle verschieben, wodurch sich das Ausmaß der Verschiebung und damit der Mirdestabstand der
optischen Frequenzen durch eine mit bekannten Mitteln relativ leicht zu verwirklichende frequenzstabile
Speisung der Wandler der beiden Filter aus einer vorzugsweise gemeinsamen Wechselspannungsquelle
konstant halten lassen, was eine genaue Kornpensation des erzeugten Frequenzabstands bei der
Rotationsmessung ermöglicht. Bei Einhaltung bestimmter Bedingungen für einzelne Weglängen des
Strahlweges des Ringlasers gleicht der Mindestabstand der optischen Frequenzen genau der Frequenz
der akustischen Wellen und läßt sich daher durch ein Signal aus der gemeinsamen Wechselspannungsquelle
besonders leicht kompensieren. Die akustischoptischen Filter der bevorzugten Ausführungsform
haben ferner den Vorteil einer schon mit geringen akustischen Leistungsdichten im Kristall erzielbaren
Licht-Transmission von praktisch 100" 0. Schließlich ist ihre genaue Winkelausrichtung im Strahhveg weniger
kritisch als bei anderen vergleichbaren EIementen.
Andere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.
Im folgenden wird die Erfindung mit weiteren vorteilhaften Einzelheiten an Hand eines in der einzigen
Figur als Ausführungsbeispiel schematisch dargestellten Ringlasers zur Rotationsmessung erläutert.
Der dargestellte Ringlaser umfaßt ein verstärkendes Lasermedium 2, beispielsweise eine mit Helium-Neongas
gefüllte Röhre, die in einem Ast 3 eines dreieckigen optischen Strahlweges A-B-C-D-E-A
angeordnet ist, der durch drei Spiegel 4, 5 und 6 definiert ist. Im gleichen Ast 3 des Strahlweges sind
zwei akustisch-optische Filter 7 und 8 angeordnet, und zwar auf entgegengesetzten Seiten des Lasermediums
2. Geeignete akustisch-optische Filter sind in dem Aufsatz »Acousto-Optic Tunable Filter«, in
»Journal of the Optical Society of America«, Bd. 59, Nr. 6, S. 744 bis 747, beschrieben. Die akustischoptischen
Filter 7 und 8 sind derart ausgebildet und angeordnet, daß sie unter Berücksichtigung des
Strahlweges optische Bandpaßeigenschaften innerhalb des Betriebsfrequenzbereichs des Lasermediums
2 haben. Daher schwingt der Ringlaser gleichzeitig in zwei Schwingungsarten, von denen die eine einem
Lichtstrahl entspricht, der sich im Uhrzeigersinn im Strahlweg ausbreitet und von denen die andere einem
Lichtstrahl entspricht, der sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitet. Die Frequenz der Lichtwellen beträgt
dabei in dem Bereich A-B-C-D-E des optischen Strahlweges /, bzw. /2 (nominelle optische Frequenzen).
Beim Betrieb als Rotationsmesser bewirkt die Drehung des Ringlasers um eine zur Ebene des
Strahlweges senkrechte Achse, daß einer der gegenläufigen Lichtstrahlen frequenzmäßig um eine kleine
Frequenz fR heraufgesetzt wird, welche der Drehzahl
entspricht, während der andere Lichtstrahl frequenzmäßig um die gleiche Frequenz /„ herabgesetzt wird.
Jedes der akustisch-optischen Filter 7 und 8 weist zwei gekreuzte, lineare Polarisatoren 18 und 19 bzw.
21 und 22 auf, zwischen denen ein optisch anisotropes Medium in Form eines doppelbrechenden
Kristalls 25 angeordnet ist. Geeignete Kristalle bestehen aus LiNbO3, PbMoO4 oder CaMoO1. An
jedem Kristall 25 ist an einem Ende ein elektromechanischer Wandler 26 angebracht, der bei Anregung
eine akustische Spannungswelle erzeugt, die an einer Innenfläche des Kristalls in Richtung der
Längsachse des Kristalls und parallel zu dem opti-
sehen Strahlweg im Kristall bzw. den Lichtstrahlen
reflektiert wird. Beide Wandler 26 sind Ober einen Leistungsverstärker 28 an einen HF-Oszillatcr 27
angeschlossen, der mit einer festen Frequenz f„
arbeitet. Es entstehen daher in beiden Kristallen akustische Wellen mit der gleichen Frequenz/,,.
Die akustisch-optischen Filter 7 und 8 machen von
xo der kollinearen akustisch-optischen Beugung in einem optisch, anisotropen, doppelbrechenden Medium
Gebrauch. Für die Kristalle 25 wird eine solche Kristallorientierung gewählt, daß der einfallende,
linear polarisierte Lichtstrahl kollinear an einer
akustischen Welle von der Eingangspolarisation in eine zweite orthogonale Polarisation gebeugt wird.
Bei einer gegebenen akustischen Frequenz fa kann
nur ein kleiner Bereich von optischen Frequenzen die Bedingungen für die Momentenvektoren erfüllen,
was Voraussetzung für die kumulative kollineare Beugung ist. Mit einer Änderung der akustischen
Frequenz ändert sich der Bereich der optischen Frequenzen, bei weichen im akustisch-optischen Filter
eine Polarisationsdrehung erfolgt. Die Beugung in
« die zweite Polarisation tritt über die photoelektrische
Konstante des Kristalls auf und ist nur dann kumulativ, wenn die Bedingung
Ar0; — \ke\ = \ku\
erfüllt ist, wobei die Indizes 0, e und α für den
ordentlichen und den außerordentlichen Lichtstrahl und die akustische Welle stehen. Dies ist der Fall,
wenn die optischen und akustischen Frequenzen /0 und /u der Gleichung
Z0=
V\An\
ge™ge". wobei y das Verhältnis der optischen Geschwindigkeit
im Vakuum zur akustischen Geschwindigkeit im Medium und An die Doppelbrechung
des Kristalls bedeuten.
Die halbe Leistungsbandbreite des Bandpasses des
optischen Filters ist durch die Gleichung bestimmt:
B W co
— cm"
| j η | L
wobei B. W. die halbe Leistungsbrandbreite als Wellenzahl oder Wellen je Zentimeter und L die
Wechselwirkungslängc in Zentimeter der optischen und akustischen Felder in dem Kristall ist.
Die prozentuale Lichttransmission des Filters bei der optischen Bandpaßfrequenz/0 ist eine Funktion
der akustischen Leistungsdichte im Kristall. Im Fall des Ringlasers werden die beiden Filter mit einer
so hohen Leistungsdichte im Kristall betrieben, daß sich praktisch eine Transmission von 100%>
innerhalb des jeweiligen Durchlaßbereiches ergibt.
Bei einem Kristall aus Lithium-Niobat ist die Wellenlänge des von der ersten in die zweite PoIarisation
gebeugten Lichtes von 7000 bis 5500 A durchstimmbar, indem die akustische Frequenz von
750 bis 1050MHz verändert wird. Hat der Kristall eine Länge von 5 cm, ist die Bandbreite des der
jeweils eingestellten optischen Frequenz zu°eordneten Durchlaßbereiches kleiner als 2 Angström.
Beim Durchgang durch das Filter wird die optische Frequenz des Lichtstrahles um die akustische Frequenz
/„ herauf- oder heruntergesetzt, und zwar je nach der relativen Ausbreitungsrichtung der akustischen
Welle und des Lichtstrahles und der Polarisationsrichtung des Lichtstrahles in bezug auf die Achse
des doppelbrechenden Kristalls. Die optische Frequenz wird heraufgesetzt, wenn der einfallende Polarisationsvektor
in der Richtung des kleineren Brechungsindexes liegt und sich der Lichtstrahl und die
akustische Welle in der gleichen Richtung ausbreiten. Wenn demgegenüber entweder allein die Polarisation
oder allein die relative Ausbreitungsrichtung geändert wird, wird die optische Frequenz herabgesetzt.
Wenn beide gleichzeitig geändert werden, wird die optische Frequenz unverändert heraufgesetzt. Im
Ringlaser haben beide Kristalle 25 die gleiche Orientierung, und die akustischen Wellen breiten sich in
beiden Kristallen in der gleichen Richtung aus. Der sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Lichtstrahl mit
der nominellen optischen Frequenz/, tritt von der linken Seite in das erste Filter 7 ein. Er ist durch
den Polarisator 18 horizontal polarisiert. An der akustischen Welle der Frequenz Z0 im Kristall 25 wird
der Lichtstrahl gebeugt und dadurch seine Polarisation für die optischen Frequenzen innerhalb des
Durchlaßbereiches des Filters von der horizontalen in die vertikale Richtung gedreht. Der vertikal polarisierte
Lichtstrahl ist durch die akustische Welle auf die Frequenz (/, + /„) heraufgesetzt. Er gelangt durch
den vertikalen Polarisator 19 und das Lasermedium 2 in das zweite akustisch-optische Filter 8, wo er den
vertikalen Polarisator 21 passiert und dann kollinear an der akustischen Welle derselben Frequenz /0 in dem
zweiten Kristall gebeugt wird. Hierbei wird seine optische Frequenz (Z1-I-/,,) um die akustische Frequenz/o
wieder herabgesetzt und seine Polarisation in die Horizontale zurückgedreht. Der aus dem horizontalen
Polarisator 22 im Uhrzeigersinn austretende Lichtstrahl hat also wieder die ursprüngliche Frequenz
/, und die horizontale Polarisation. Der gegenläufige Lichtstrahl der nominellen optischen Frequenz^
tritt mit horizontaler Polarisation in das zweite Filter 8 von der rechten Seite aus ein und wird
durch die schon beschriebene Wechselwirkung frequenzmäßig auf (Zg—/„) herabgesetzt und in die
vertikale Polarisation gedreht. Er gelangt dann durch das Lasermedium 2 in das erste Filter 7, wo die
optische Frequenz um die akustische Frequenz fa
wieder heraufgesetzt und die horizontale Polarisation wieder hergestellt wird.
Die nominellen optischen Frequenzen /, und /2
für die sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Lichtstrahlen folgen den
Gleichungen:
L1Z1 + η L2 (/, + /„) + L3 (Z1 + Z0) = Nc
L1 /, + η L2 (f., - /J + L., (f., - Z0) = Nc
L1 /, + η L2 (f., - /J + L., (f., - Z0) = Nc
oder
h -'"L ^L +L
Lx
ίο wobei η der Brechungsindex für die gebeugten Lichtstrahlen,
c die Lichtgeschwindigkeit, N die Anzahl der Wellenlängen im Strahlweg des Ringlasers, L1 die
Weglänge von AB + BC + CD + DE, Lt die gesamte Weglänge durch beide Kristalle und L3 die kurze
Weglänge zwischen den Kristallen über das Lasermedium 2 ist. In dem Spezialfall, in dem L1 effektiv
gleich η L., + L3 ist, gilt
ao Dieser Fall ist in der Zeichnung dargestellt.
Der Spiegel 6 ist teilreflektierend. Über ihn wird jeweils ein Anteil der beiden gegenläufigen Lichtstrahlen
aus dem Strahlweg abgezweigt und über einen Spiegel 13 bzw. 14 auf einen Photomischer 15
as reflektiert. Dort wird aus den beiden Anteilen ein
Auegangssignal mit der Schwebungsfrequenz fa 4- 2 jK
abgeleitet und einem Mischglied 16 zugeführt, wo es mit einem Signal der akustischen Frequenz aus dem
HF-Generator gemischt wird. Es entsteht ein Ausgangssignal mit der drehzahlproportionalen Frequenz
2 fR, die durch Perioden-Zahlung in einem Zähler 17 festgestellt wird. Gewünschtenfalls kann
eine zusätzliche Ausgangsschaltung zur Erfassung der Drehrichtung vorgesehen sein, wie sie an sich bekannt
ist. Bei Abweichung vom bevorzugten Spezialfall gemäß letzter Gleichung kann nicht mit fa kompensiert
werden. In diesem Fall stellt man die abzuziehende Frequenzdifferenz zwischen /, und Z2
ohne Rotation fest und eicht den Ausgang des Zählers 17 entsprechend.
Die Anteile der beiden Lichtstrahlen brauchen nicht am gleichen Spiegel 6 abgenommen zu werden.
Zum Beispiel kann ein Anteil am Spiegel 6 und der andere im Ast 3 des Strahlweges abgezweigt
werden. Auch sind die getrennten Polarisatoren 18, 19, 21 und 22 nicht unbedingt erforderlich. Es genügt
als Minimum ein Polarisator im Strahlweg des Ringlasers. Dieser Polarisator kann in irgendeinem deT
Elemente im Strahlweg, beispielsweise einem dei Spiegel 4, 5, 6 oder einem Brewster-Winkelfenstei
enthalten sein. Der Ausdruck »Licht« bedeutet elektromagnetische Strahlung und ist nicht auf das
sichtbare Spektrum begrenzt
Claims (2)
1. Ringlaser mit einem Lasermedium zur Er- zahl mit einem Ringlaser zu ermöglichen,
zeugung von Lichtstrahlen, die sich gegenläufig 5 Zum Auseinanderrücken der Frequenzen wird dem in dem geschlossenen Strahlweg des Ringlasers Ringlaser entweder eine körperliche, der zu erfassenausbreiten, und mit einer im Strahlweg angeord- den Drehung überlagerte Drehung erteilt, oder es neten optischen Vorrichtung, welche den Fre- wird ein Unterschied in der optisch wirksamen Länge quenzsynchronismus der optischen Frequenzen des Strahlweges des Ringlasers in den beiden Richder beiden Lichtstrahlen verhindert, dadurch ao tungen durch Einfügung einer optischen Vorrichtung gekennzeichnet, daß die optische Vorrich- in den Strahlweg mit einem in den beiden Richtuntung durch zwei im Abstand voneinander im gen unterschiedlichen Brechungsindex erzeugt. Die Strahlweg (A-E) hintereinander angeordnete aku- optische Vorrichtung ist eine zwischen zwei Lambdastisch-optischeFiIter(7;8) gebildet ist, von denen viertelplatten angeordnete sogenannte Faraday-Zelle, das eine (7) die Frequenzen (/,; /2) der beiden 15 deren Brechungsindex in den beiden Richtungen in Lichtstrahlen um einen bestimmten Wert (/„) Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld unherauf- und das andere (8) um den gleichen Wert terschiedlich ist. Bei beiden Methoden wird der herabsetzt. künstlich eingeführte Mindestabstand der optischen
zeugung von Lichtstrahlen, die sich gegenläufig 5 Zum Auseinanderrücken der Frequenzen wird dem in dem geschlossenen Strahlweg des Ringlasers Ringlaser entweder eine körperliche, der zu erfassenausbreiten, und mit einer im Strahlweg angeord- den Drehung überlagerte Drehung erteilt, oder es neten optischen Vorrichtung, welche den Fre- wird ein Unterschied in der optisch wirksamen Länge quenzsynchronismus der optischen Frequenzen des Strahlweges des Ringlasers in den beiden Richder beiden Lichtstrahlen verhindert, dadurch ao tungen durch Einfügung einer optischen Vorrichtung gekennzeichnet, daß die optische Vorrich- in den Strahlweg mit einem in den beiden Richtuntung durch zwei im Abstand voneinander im gen unterschiedlichen Brechungsindex erzeugt. Die Strahlweg (A-E) hintereinander angeordnete aku- optische Vorrichtung ist eine zwischen zwei Lambdastisch-optischeFiIter(7;8) gebildet ist, von denen viertelplatten angeordnete sogenannte Faraday-Zelle, das eine (7) die Frequenzen (/,; /2) der beiden 15 deren Brechungsindex in den beiden Richtungen in Lichtstrahlen um einen bestimmten Wert (/„) Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld unherauf- und das andere (8) um den gleichen Wert terschiedlich ist. Bei beiden Methoden wird der herabsetzt. künstlich eingeführte Mindestabstand der optischen
2. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekenn- Frequenzen bei der Ermittlung des Meßergebnisses
zeichnet, daß jedes akustisch-optische Filter (7; 8) 20 durch Subtraktion oder durch periodische Vorzeieinen
zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren (18, chenumkehr und Ausmittelung berücksichtigt. Die
19; 21, 22) angeordneten, optisch anisotropen körperliche Drehung des Ringlasers bedeutet wegen
Kristall (25) umfaßt, in welchem mittels eines des notwendigen zusätzlichen hohen Aufwands keine
elektromechanischen Wandlers (26) am Kristall befriedigende Lösung. Aber auch die Verwendung
eine mit den Lichtstrahlen im Kristall kollineare 35 der Faraday-Zelle ist insbesondere wegen der Notakustische Welle erzeugbar ist. wendigkeit, aus Genauigkeitsgründen ein zeitlich
3. Ringlaser nach Anspruch 2, dadurch ge- genau definiertes Magnetfeld zu erzeugen, nicht prokennzeichnet,
daß die Wandler (26) beider Kri- blemlos.
stalle (25) an eine gemeinsame Wechselspan- Dementsprechend ist Aufgabe der Erfindung die
nungsquelle (27, 28) angeschlossen sind. 30 Angabe eines Ringlasers, bei welchem ein Frequenz-
4. Ringlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch synchronismus mit vergleichsweise einfachen Mitteln
gekennzeichnet, daß jeder Kristall (25) aus sicher und ohne Genauigkeitseinbuße bei der Rota-LiNbOj,
PbMoO4 oder CaMoO4 besteht. tionsmessung vermieden ist.
5. Ringlaser nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, Ausgehend von einem Ringlaser der eingangs gedadurch
gekennzeichnet, daß irr. Strahlweg (A-E) 35 nannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß damindestens
ein Strahlenteiler (6) zur Abzweigung durch gelöst, daß die optische Vorrichtung durch
jeweils eines Anteils der beiden gegenläufigen zwei im Abstand voneinander im Strahlweg hinter-Lichtstrahlen
aus dem Strahlweg angeordnet und einander angeordnete akustisch-optische Filter gebildaß
eine Vergleichsvorrichtung (15) vorgesehen det ist, von denen das eine die Frequenzen der
ist, welche ein dem Frequenzabstand der beiden 40 beiden Lichtstrahlen um einen bestimmten Wert herabgezweigten
Anteile entsprechendes Ausgangs- auf- und das andere um den gleichen bestimmten signal abgibt. Wert herabsetzt.
Bei dem erfindungsgemäßen Ringlaser wird in
einem Teil des Strahlweges die Frequenz des einen
45 Lichtstrahls um einen bestimmten Wert herauf- und die Frequenz des anderen, gegenläufigen Lichtstrahls,
Die Erfindung betrifft einen Ringlaser mit einem um den gleichen Wert herabgesetzt. Dadurch wird
Lasermedium zur Erzeugung von Lichtstrahlen, die erreicht, daß die Resonanzbedingungen für die beiden
sich gegenläufig in dem geschlossenen Strahlweg des gegenläufigen Lichtstrahlen verschieden sind und sich
Ringlasers ausbreiten, und mit einer im Strahlweg 5° ein entsprechender Mindestabstand ihrer optischen
angeordneten optischen Vorrichtung, welche den Frequenzen einstellt. Die Größe des Mindestabstands
Frequenzsynchronismus der optischen Frequenzen ist abhängig von dem Wert, um den die optischen
der beiden Lichtstrahlen verhindert. Frequenzen durch die akustisch-optischen Filter zeit-
Bei einem Ringlaser mit zwei gegenläufigen Licht- weilig verschoben werden und kann daher leicht so
strahlen, der als Rotationsmesser verwendet wird, 55 eingestellt werden, daß ein Frequenzsynchronismus
haben die optischen Frequenzen der beiden Licht- mit Sicherheit vermieden wird. Die Anordnung ist
strahlen einen der Drehzahl des Ringlasers bzw. relativ einfach aufgebaut und kann ohne unange-
Rotationsmessers entsprechenden Unterschied bzw. messenen Aufwand stabil betrieben werden.
Abstand. Beim Unterschreiten einer kritischen Dreh- Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt jedes
zahl kommt es zum sogenannten Frequenzsynchro- 6o akustisch-optische Filter einen zwischen zwei gekreuz-
nismus, d. h. einem plötzlichen Zusammenfallen der ten Polarisatoren angeordneten, optisch anisotropen
beiden Frequenzen auf Grund einer insbesondere Kristall, in welchem mittels eines elektromechani-
durch Streuung im Lesermedium hervorgerufenen sehen Wandlers am Kristall eine mit den Lichtstrah-
Kopplung zwischen den beiden Lichtstrahlen. Dann len im Kristall kollineare akustische Welle erzeugbar
ist eine Drehzahlerfassung naturgemäß nicht mehr 65 ist. Derartige akustisch-optische Filter sind an sich
möglich. Aus IEEE Spectrum, Vol. 4 (Oktober 1967), bekannt. Im Zusammenhang der Erfindung ergeben
Nr. 10, S. 44 bis 55, ist es bekannt, bei dem eingangs sie den Vorteil, daß sie die optischen Frequenzen
beschriebenen Ringlaser den Frequenzsynchronismus genau um den Wert der Frequenz der akustischen
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