DE2138929C3 - Ringlaser - Google Patents

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 f_R 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 f_a 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; — \k_e\ = \k_u\

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™g^e". 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 f_a 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

oder

^h -'"L ^L ₊L

L_x

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, L_t 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 Au^egangssignal mit der Schwebungsfrequenz f_a 4- 2 j_K 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 f_R, 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 f_a 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

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

durch künstliches Auseinanderrücken der beiden Fre- Patentansprüche: quenzen zu vermeiden und dadurch auch eine Erfassung von Drehzahlen unterhalb der kritischen Dreh-

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

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