DE2209397A1

DE2209397A1 - Gyroskop, insbesondere Laserkreisel

Info

Publication number: DE2209397A1
Application number: DE19722209397
Authority: DE
Inventors: Keimpe Sherborn Mass. Andringa (V.StA.). P
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1971-03-03
Filing date: 1972-02-28
Publication date: 1972-09-14
Also published as: FR2128617B1; FR2128617A1; GB1388418A; DE2209397B2; DE2209397C3; IT948720B; US3741657A; CA980897A; JPS5229912B1

Description

PATENTANWÄLTE 24-09397

DR.-PHiL. G. NICKEL DH.-ING. J. DDr?''.

8MO N CHEN 15
LANDWEHRSTR. 35 · POSTFA". C--:

TEL. (08 i!) 55 5719

München, den 25. Februar 1972 Anwaltsaktenz.s 27 - Pat. 23

RAYTHEON COMPANY, 141 Spring Street, Lexington, Ma 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Gyroskop, insbesondere Laserkreisel

Die Erfindung betrifft Gyroskope und insbesondere Laserkreisel.

Es sind bereits Laserkreisel vorgeschlagen worden, bei welchen Wellen in entgegengesetzten Richtungen durch ein Lasermedium geschickt werden, so daß bei einer Drehung des Lasermediums um eine Drehachse eine Frequenzdifferenz auftritt. Wenn jedoch die Frequenzen der Wellen nicht beträchtlichen Abstand im Spektrum voneinander haben, so kann die Kopplung zwischen der sich in der einen Richtung ausbreitenden Welle mit der sich in der entgegengesetzten Richtung im Lasermedium ausbreitenden Welle zu einer kombinierten Laserwirkung führen, durch welche die beiden Frequenzen aufeinander hin gezogen werden, so daß ein Betriebszustand entsteht, welcher als Einrasten bezeichnet werden kann.

Das Einrasten begrenzt die Verwendbarkeit von Laserkreiseln, da bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten, bei welchen das Einrasten normalerweise auftritt, der Ausgang auf Null abfällt, wodurch ein Bereich von Drehgeschwindigkeiten entsteht, bei welchem kein Ausgang erhalten wird, da die im Uhrzeigersinn umlaufende Welle und die im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Welle gleiche Frequenz annehmen. Eine Kopplung zwischen den Wellen kann vielerlei Ursachen haben, beispiels-

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weise eine Rückstreuung von Energie an bestimmten Elementen des Lasersystems wie Fenster-Grenzflächen oder anderen Übergängen von einem Medium in das andere.

Eine andere mögliche Quelle einer Kopplung innerhalb des Lasermediums selbst macht sich bemerkbar, wenn zwei Wellen, die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, eine augenblickliche Phasenbeziehung besitzen, bei welcher sie bezüglich einer Verstärkung durch Atome mit niedriger Geschwindigkeit in Ausbreitungsrichtung der Wellen in Konkurrenz treten. Die Wahrscheinlichkeit eines Einrastens, weiche allgemein die Breite des Ungenauigkeitsbereiches mit dem Ausgang Null beeinflußt, nimmt zu, wenn die Verstärkung in der Laserschleife zunimmt.

Haben die Frequenzen im Spektrum einen beträchtlichen Abstand voneinander, indem beispielsweise Bauteile verwendet werden, welche in der einen und in der anderen Richtung jeweils stark unterschiedliche Verzögerungen verursachen, so muß dieser Frequenzunterschied genauestens eingehalten werden. Versuche zur Erzielung einer genauen Trennung der Frequenzen durch Umschalten eines Faraday-Rotators von einem Zustand in einen anderen Zustand haben sich undurchführbar erwiesen, da die Genauigkeit der Wellenform der Schalt-Wechselspannung bezüglich der Symmetrie bedeutend besser als auf 1 Millionstel eingehalten werden muß. Will man ferner einen nicht umzuschaltenden Faraday-Rotator zur Erzeugung der unterschiedlichen Frequenzen in den entgegengesetzten Ausbreitungsrichtungen verwenden, so bewirken Veränderungen an dem Faraday-Rotator Frequenzänderungen, die größer als die Frequenzänderungen aufgrund der gyroskopisehen Drehung sind, wodurch das gesamte System ungenau wird.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Genauigkeit von Gyroskopen durch Ausschaltung von Störeinflüssen zu erhöhen und die zuvor beschriebene Erscheinung des Zusammenwanderns der Frequenzen zu vermeiden.

Bei einem Gyroskop, insbesondere einem Laserkreisel,

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bei welchen Wellenstrahlungen in entgegengesetzter Laufrichtung über einen Übertragungsweg geschickt werden und die bei Bewegung des Übertragungsweges für die jeweilige Laufrichtung unterschiedliche Frequenzänderung untersucht wird, kann eine Lösung der gestellten Aufgabe erfindungsgemäß dadurch erreich/«; werden, daß jede der den übertragungsweg entgegengesetzt z-ueinan-.lj.. durchlaufenden Wellenstrahlungen mehrere, im wesentlichen kohärente Frequenzen enthält und daß im Übertragungsweg Verstärkermittel für die Wellenstrahlungen angeordnet sind. Gemäß einer sehr vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß die den Übertragungsweg in einer Richtung durchlaufende Wellenstrahlung mindestens zwei Frequenzen enthält, welche oberhalb und unterhalb zweier Frequenzen der den Übertragungsweg in der anderen Richtung durchlaufenden Wellenstrahlung liegen und daß die bei Bewegung des Übertragungsweges auftretenden Frequenzverschiebungen zwischen den beiden unteren Frequenzen und zwischen den beiden oberen Frequenzen auswertbar sind.

Es handelt sich also um zwei Paare von Wellen, welche sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten und frequenzmäßig solchen Abstand besitzen, daß eine gegenseitige Kopplung weitgehend vermieden wird. Frequenzverschiebungen aufgrund von Änderungen der Betriebstemperatur, des Ausgangswertes der Speiseenergie oder aufgrund mechanischer Bewegungen von Bauteilen des Systemes gegeneinander löschen sich gegenseitig aus, so daß der resultierende Ausgang des Systemes von diesen änderungen unbeeinflußt bleibt.

Im einzelnen wird durch die Erfindung ein Laserkreisel vorgeschlagen, bei welchem sich rund um den ringförmigen Laser-Übertragungsweg in jeder Richtung mindestens je zwei Wellen ausbreiten. In ;eder Richtung breiten sich also mehrere Schwingungen unterschiedlicher Frequenz aus. Die Ausbreitungszeiten der einzelnen Wellen sind so gewählt, daß, wie zuvor bereits angedeutet, die Frequenzen eines in einer Richtung durch das Lasermedium laufenden Wellenpaares zwischen den Frequenzen eines anderen, in der entgegengesetzten Richtung durch das Lasermedium

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laufenden Wellenpaares gelegen sind. Eine Bewegung des ringförmigen Laser-Übertragungsweges, beispielsweise durch Drehung des Systemes um eine zur Ebene des Übertragungsweges senkrechte Achse bewirkt Frequenzverschiebungen an dem in einer Richtung wandernden Wellenpaar, welche entgegengesetzt zu den Frequenzverschiebungen sind, die an dem in der entgegengesetzten Richtung durch das Lasermedium wandernden Wellenpaar auftreten. Hierdurch wird eine Veränderung des Frequenzabstandes zwischen den jeweils unteren Frequenzen je eines Wellenpaares hervorgerufen, welche entgegengesetzt zu der Veränderung des FrequenzabStandes zwischen den oberen Frequenzen je eines Wellenpaares ist und die Gesamtveränderung, welche durch Subtrahieren der einen Veränderung von der anderen Veränderung erhalten wird, stellt im wesentlichen eine lineare Funktion der Drehgeschwindigkeit dar, wobei das Vorzeichen dieser Gesamtveränderung die Drehrichtung angibt. Auf diese Weise läßt sich eine bedeutend genauere Messung der Drehgeschwindigkeit des Systemes erzielen, als sie mit mechanischen Gyroskopsystemen erreichbar ist.

Nachdem Frequenzverschiebungen aufgrund von Veränderungen der von der Energiequelle zugeführten Leistung, aufgrund von mechanischen Schwingungen der Bauteile oder aufgrund thermischer Veränderungen im System sämtliche Frequenzen im wesentlichen in gleicher Weise verschieben, da sämtliche Schwingungen durch dieselben Bauteile geführt werden, verschieben sich die Abstände zwischen den oberen Frequenzen und zwischen den unteren Frequenzen je eines Wellenpaares in derselben Richtung, so daß die Gesamt* abweichung Null bleibt. Diese Frequenzverschiebungen verursachen daher im wesentlichen keine Fehler im System.

Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, das vorgeschlagene Gyroskop so zu betreiben, daß die untere Frequenz je eines Paares von Wellen unterhalb der Frequenz maximaler Ausgangsleistung des Laser-Übergangsresonanz-Energiebandes liegt, während die obere Frequenz je eines Wellenpaares oberhalb dieser Frequenz maximaler Ausgangsleistung gelegen ist. Das bedeutet im einzelnen,

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daß die Frequenzen jedes Wellenpaares im wesentlichen im gleichen Abstand oberhalb und unterhalb der Frequenz maximaler Ausgangsleistung oder Mittenfrequenz des Lasers gehalten werden, welcher in einem Diagramm des Verstärkungsgewinnes oder der Ausgangsleistung über der Frequenz im allgemeinen eine Gauss'sehe Verteilungskurve besitzt. Ein Bestreben der oberen und/oder der unteren Frequenzen aufgrund der Steigung der Verstärkungsgewinnkurve oder aufgrund Veränderungen dieser Kurve aufeinander zu wandern, bewirkt eine Veränderung de3 Frequenzabstandes zwischen den jeweils unteren Frequenzen und des FrequenzabStandes zwischen den jeweils oberen Frequenzen in derselben Richtung. Die Gesamt-Abweichungen dieser Frequenzabstände bleiben daher für änderungen der Verstärkung des Systemes insgesamt im wesentlichen Hull.

Während zur Erzeugung der unterschiedlichen Ausbreitungszeiten für die verschiedenen Frequenzen eine Vielzahl von Werkstoffen verwendbar ist, wird hier ein besonderes Bauteil mit einem Frequenzdispersionsverhalten vorgeschlagen, bei welchem die gesarate Dispersion in einem einzigen Medium erfolgt, wobei die unterschiedliche Polarisation der Wellen ausgenützt wird. Im einzelnen sei bemerkt, daß ein Paar von in entgegengesetztem Sinn zirkulär polarisierten Wellen in je einer Richtung das Medium durchläuft. Durch geeignete Auswahl des Mediums, beispielsweise eines QuarzkriStalles, dessen optische Achse in Richtung des Ausbreitungsweges der Wellen gelegt wird, kann die Verzögerungszeit einer Welle der einen Polarisation von der Verzögerungszeit einer Welle der anderen Polarisation verschieden gemacht werden. Der Unterschied in den Verzögerungszeiten, welcher reziprok ist und welcher die unterschiedlichen Frequenzen verursacht, kann durch entsprechende Auswahl der Länge des Quarzkristalles eingestellt werden.

Zusätzlich wird der kleine Faraday'sehe Effekt, welchen viele Kristalle zeigen, dazu benützt, an zirkularpolarisierten Wellen, welche in entgegengesetzten Richtungen durch den Kristall wandern, eine nicht reziproke änderung der Verzögerungszeit vorzunehmen, so daß die Verzögerungszeit für die mit einer PoIa-

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risation in einer Richtung durch den Kristall laufende Welle Verschieden von der Verzögerungszeit der mit derselben Polarisation in der entgegengesetzten Richtung durch den Kristall laufenden Welle ist.

Die Stärke der erzeugten Paraday-Rotation ändert sich mit der Stärke des axial parallel zur Ausbreitungsrichtung durch den Kristall angelegten magnetischen Feldes und die Richtung der Paraday-Rotation kann durch Umkehr der Richtung des magnetischen Feldes ebenfalls umgekehrt werden. Änderungen des Magnetfeldes bewirken Verschiebungen sämtlicher vier Frequenzen im System, wobei die Verschiebung an den Frequenzen eines Polarisationssinnes in entgegengesetzter Richtung verläuft, da diese Wellen mit diesem einen Polarisationssinn auch in entgegengesetzter Richtung durch den Faraday-Rotator laufen. Hieraus folgt, daß Veränderungen des Magnetfeldes den Frequenzabstand zwischen den jeweils oberen Frequenzen jedes Wellenpaares und den Frequenzabstand zwischen den jeweils unteren Frequenzen jedes Wellenpaares in der gleichen Richtung verändern, so daß die Gesamtveränderung Null bleibt. Diese Frequenzverschiebungen haben daher keinen merklichen Einfluß auf den Ausgang des Gyroskopes.

Im folgenden wird die Erfindung durch die Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1 eine schematische Ansicht eines ringförmigen Laser-Übertragungsweges mit den Merkmalen der Erfindung,

Figur 2 ein Diagramm mit Betriebskennlinien des Systemes nach Figur 1 und

Figur 3 eine Abbildung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung.

Anhand der Figuren 1 und 2 sei ein Laserkreisel erläutert, welcher ein Laser-Verstärkungsmedium 10 besitzt. Ein ringförmiger Übertragungsweg für die Laserstrahlen wird durch

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vier Reflektoren 12, 13, 14 und 15 bestimmt, welche gegenüber dem durch die Achse des Lasermediums 10 gehenden Ausbreitungsweg der Wellen unter einem Winkel von 45° angeordnet sind und einen rechteckigen Übertragungsweg festlegen, wobei das Lasermedium 10 in einem Zweig angeordnet ist. Im gegenüberliegenden Zweig des rechteckigen Übertragungsweges liegt ein Bauteil 16 mit polarisationsselektiver Dispersion, welches Wellen unterschiedlicher Polarisation unterschiedlich stark verzögert. Das Bauteil 16 kann beispielsweise von einem gebräuchlichen Quarzkristallrotator 17, dessen optische Achse parallel zur Laserachse liegt, und einem üblichen Faraday-Rotator 18 gebildet sein, dessen magnetisches Feld parallel zum Ausbreitungsweg des Laserstrahles verläuft.

Der Kristallrotator 17 verursacht eine Verzögerung für zirkulär polarisierte Wellen, welche für den einen Richtungssinn der Zirkularen Polarisation andere ist als für den entgegengesetzten Richtungssinn der Polarisation, wobei das Verhalten reziprok ist, d.h., eine Welle, welche einmal in der einen und einmal in der anderen Richtung durch den Kristall geschickt wird, erfährt jeweils dieselbe Verzögerung. Der Faraday-Rotator 18 bewirkt ebenfalls eine Verzögerung zirkulär polarisierter Wellen, jedoch arbeitet er nicht reziprok, d.h. er dreht eine zirkularpolarisierte Welle des einen Polarisationssinnes, die in einer Richtung durch den Rotator wandert in positivem Sinne oder erhöht die Drehung, während bei einer im gleichen Sinne zirkulär polarisierten Welle, welche den Rotator in der entgegengesetzten Richtung durchläuft, eine Drehung in negativem Sinne oder eine Verminderung der Drehung vorgenommen wird.

Da eine Veränderung der Gesamtverzögerung eine Veränderung der elektrischen Weglänge bewirkt und da rundum den Laserstrahl-Übertragungsweg, welcher durch die Bauteile 10, 11, 12, 13, 14, 15, 17 und 18 gebildet wird, ein ganzzahliges Vielfaches von Wellenlängen erforderlich ist, um Scnwingungen erzeugen zu können, werden vier Schwingungsfrequenzen erzeugt, wobei die

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in Figur 2 mit 21 und 22 bezeichneten Frequenzen beispielsweise zu linkszirkular polarisierten Wellen gehören können, von denen die Frequenz 21 im Uhrzeigersinn durch das Lasersystem nach Figur 1 läuft, während die Frequenz 22 im Gegenuhrzeigersinn das System nach Figur 1 durchläuft. Die mit 23 und 24 bezeichneten Frequenzen können rechtszirkular polarisierten Wellen angehören, wobei die Frequenz 23 im Gegenuhrzeigersinn durch das Lasersystem läuft, während die Frequenz 24 im Uhrzeigersinn im Lasersystem nach Figur 1 umläuft. Im Figur 2 sind die genannten Frequenzen mit positivem bzw. negativem Abstand von der Mittenfrequenz oder der Frequenz maximaler Ausgangsverstärkung des Lasers 10 eingezeichnet.

Wird das in Figur 1 gezeigte System um eine Achse gedreht, welche senkrecht zur Ebene des Laser-Übertragungsweges gerichtet ist, so werden die Frequenzen 22 und 23 beide in eine Richtung verschoben, während die Frequenzen 21 und 24 beide in die entgegengesetzte Richtung verschoben werden. Wird beispielsweise das System im Uhrzeigersinn gedreht, so werden die Frequenzen 22 und 23 verringert und die Frequenzen 21 und 24 werden erhöht und nachdem die Frequenzen 22 und 23 zwischen den Frequenzen 21 und 24 gelegen sind, wird der Frequenzabstand zwischen den Frequenzen 21 und 22 vermindert und der Frequenzabstand zwischen den Frequenzen 23 und 24 wird vergrößert. Die Summe der Änderungen dieser Frequenzabstände ist unmittelbar proportional zur Drehgeschwindigkeit des Systems nach Figur Diese Summe laßt sich von Frequenzverschiebungen aufgrund anderer Ursachen, beispielsweise Änderungen des Verstärkungsfaktors oder thermischen Änderungen der Übertragungsweglänge dadurch absondern, daß die Änderungen der Frequenzabstände oder die Abweichungen dieser Frequerizabstände algebraisch addiert werden. Eine Verminderung eines Frequenzabstandes hat dabei ein negatives Vorzeichen, und eine Erhöhung des Frequenzabstandes besitzt ein positives Vorzeichen. Die Drehrichtung bestimmt sich aus den jeweiligen relativen Vorzeichen der Frequenzabweichungen. Ist beispielsweise der Abstand zwischen den Frequenzen 21 und 22 kleiner als der Abstand zwischen den Frequenzen 23 und 24, so dreht sich das System im Uhrzeigersinn, während dann, wenn der Abstand zwischen den Frequenzen 21 und 22 größer als der Abstand zwischen den Frequenzen 23 und 24 ist, das System sich

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im Gegenuhrzeigersinn dreht.

Die vier Frequenzen des Gyroskops werden aus der geringen Menge an Laser-Wellenenergie abgeleitet, welche durch den Spiegel 14 hindurch in kleinen Mengen austritt, beispielsweise in einer Menge von weniger als 1 o/oo der Gesamtenergie des Laserstrahls. Im Uhrzeigersinn umlaufende Wellen durchdringen den Spiegel längs des mit 30 bezeichneten Weges, während im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Wellen den Spiegel längs des mit 31 bezeichneten Weges durchdringen. Die Strahlen verlaufen durch Polarisationsfilterplatten 32 beliebiger Art, beispielsweise durch Quarzkristallplatten, welche mit ihrer Z-Achse senkrecht zum Strahl und mit der X-Achse oder der Y-Achse parallel zum Strahl ausgerichtet sind. Die Dicke der Platten 32 ist in bekannter Weise so gewählt, daß die zirkulär polarisierten Wellen in linear polarisierte Wellen umgeformt werden, wobei die linear polarisierte Welle jedes Strahls, welche aus rechtszirkular polarisierten Wellen erzeugt wird, rechtwinkelig zu der linear polarisierten Welle steht, die aus der linkszirkular polarisierten Welle erzeugt wird. Die Strahlen 30 und 31 werden dann in zwei im wesentlichen gleiche Amplitude besitzende Strahlen vermittels halbverspiegelter Spiegel 33 aufgeteilt, wobei die Strahlen, welche durch die halbverspiegelten Spiegel 33 durchtreten, an Spiegel 34 reflektiert werden, so daß insgesamt vier Strahlen entstehen, welche durch vier Polarisationsanalysatoren 35 geführt werden. Letztere lassen nur Energie der Welle in einem ganz bestimmten Winkel der linearen Polarisation durch, und durch entsprechende Einstellung der Drehstellung der Analysatoren 35 können Strahlen 41, 42, 43 und 44 erzeugt werden, welche im wesentlichen nur die Frequenzen 21 bzw. 22 bzw. 23 bzw. 24 enthalten.

Die Strahlen 41 und 42 werden einander mittels eines halbverspiegelten Spiegels 45 überlagert und auf eine Fotodiode geleitet, und die Strahlen 42 und 43 werden einander auf einer Fotodiode 48 vermittels des halbverspiegelten Spiegels 47 überlagert. Die Fotodioden 46 und 48 sind vermittels Batterien bzw. 50 mit einer Gegenvorspannung versehen und die Differenzfrequenz, welche von der Fotodiode 46 aufgrund des Frequenz-

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abstandes zwischen den Frequenzen 21 und 22 erzeugt wird, erscheint am Belastungswiderstand 51, während die Differenzfre- > quenz, welche durch die Fotodiode 48 aufgrund des Frequenzabstandes zwischen den Frequenzen 23 und 24 erzeugt wird, am Belastungswiderstand 52 auftritt. Frequenzen oberhalb dieser Differenzfrequenzen werden durch die Streukapazität des Systems ausgefiltert und erscheinen nicht an den Widerständen 51 und 52.

Die Differenzfrequenzen werden mittels der Zähler 53 und

54 gezählt, welche Impulsformungs-Schaltungen enthalten können, um aus der sinusförmigen Differenzfrequenz-Schwingung in an sich bekannter Weise digitale Impulse zu formen. Der Ausgang des Zählers 53 wird von dem Ausgang des Zählers 54 mittels eines Additionswerkes 55 abgezogen, welches so ausgebildet ist, daß der Ausgang des Zählers 53 als negative Zahl zu dem Ausgang des Zählers 54 als positiver Zahl addiert wird, wie in der Zählertechnik allgemein bekannt ist. Der Ausgang des Additionswerkes

55 ist daher eine Zahl, welche zur gesamten Drehung des Lasersystems während einer Zeit proportional ist, während welcher die Zähler gearbeitet haben. Ist das Gesamt-Zählergebnis positiv, so ist der Ausgang des Zählers 54 größer als der Ausgang des Zählers 53 und die Drehung erfolgt im Gegenuhrzeigersinn, während bei negativem Gesamtergebnis die Drehung im Uhrzeigersinn erfolgt. Wie ebenfalls aus der Zählertechnik allgemein bekannt, können Zähler so geschaltet und ausgebildet sein, daß sie während wiederholter Zeitabschnitte eine Zählung durchführen, und das Zählergebnis ist dann zur Drehgeschwindigkeit proportional.

Die an den Widerständen 51 und 52 anstehenden Spannungssignale haben eine Amplitude, welche von der Lage der Frequenzen mit Bezug auf die Verstärkungskurve 90 nach Figur 2 abhängig ist, und diese Signale können daher dazu verwendet werden,, ein Steuersignal zu erzeugen, um die Frequenzen 21 und 22 sowie 23 und 24 symmetriah zur Mittenfrequenz der Kennlinie 90 auszurichten. Die Amplituden der genannten Signale werden durch Dioden 61 bzw. 62 ermittelt und erscheinen an Belastungswiderständen 63 bzw. 64, wobei die an diesen Widerständen anstenenden Signalspannungen durch Filterkreise aus den Widerständen 65 und den

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Kondensatoren 66 geführt werden, mittels welchen das gewünschte Frequenz-Ansprechverhalten der Steuersignalschleife gegenüber einem Differentialverstärker 67 bestimmt wird, dessen Ausgang einen piezoelektrischen Kristall beaufschlagt, welcher einen der Spiegel, nämlich den Spiegel 12, trägt. Wie aus Figur 1 ersichtlich, hat der piezoelektrische Kristall die Form eines Quarzblockes 68, welcher über eine rückwärtige Elektrode 69 gehaltert ist, die Teil einer mechanischen Halterung ( nicht dargestellt) bildet, und eine vorderseitige Elektrode 70 aufweist, die den Spiegel 12 trägt. Der Verstärkungsgrad und die Polung des Differentialverstärkers 67 sind so gewählt, daß eine Bewegung des Spiegels 12 in solcher Weise erzeugt werden kann, daß mechanische Bewegungen von Teilen des Systems gegeneinander kompensiert werden können, so daß die Frequenzen 21, 22, 23 und 24 symmetrisch zur Mittenfrequenz oder Frequenz maximaler Verstärkung der Kennlinie 90 bleiben.

In Figur 3 ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung gezeigt, bei welchem der Laser 10 die Form eines Gaslasers hat, der einen Glaskolben 71 aufbist, in welchem ein Gemisch aus Neon und Helium enthalten ist, welches eine Verstärkung von Wellenlängen von etwa 6.328 A* bewirkt. Zwei Kathoden 72 sind an seitlichen Armen 73 nahe den Enden des Lasers 10 vorgesehen, welche in die Innenbohrung 74 des Lasers einmünden, welch letztere zwischen den Enden des Glaskörpers 71 verläuft und an optischen Fenstern 75 endet. Eine Anode 76 ist in einem Seitenarm 77 angeordnet und mündet etwa in der Mitte zwischen den die Kathoden enthaltenden Armen 73 in die Laserbohrung 74 ein. Zwischen den Kathoden 72 und der Anode 76 werden vermittels einer Energiequelle 78, vorzugsweise mittels einer einstellbaren Gleichstromquelle elektrische Glaichstromentladungen erzeugt.

Der Weg des Laserstrahles wird durch vier Spiegel 80, 81, 82 und 83 bestimmt, welche an den Ecken des im wesentlichen rechteckig verlaufenden Weges angeordnet sind und einen Winkel von etwa 45 Grad gegenüber der Richtung der einfallenden und reflektierten Strahlen einschließen. Die gesamte Anordnung, welche den

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Weg des Laserstrahles bestimmt, ist auf einer Grundplatte 84 angeordnet, welche eine im wesentlichen starre und feste Lage der Bauteile gewährleistet, um Schwankungen der Weglänge aufgrund mechanischer Schwingungen zu verhindern. Die Grundplatte 84 ist an einem hier nicht eingezeichneten System oder Bauteil befestigt, dessen Drehung gemessen werden soll. Die Spiegel 80, 81, 82 und 83 können an nicht dargestellten Halterungen in an sich bekannter Weise einstellbar befestigt sein, um den Laserstrahl längs des rechteckig verlaufenden Weges ausrichten zu können. Einer oder mehrere der Spiegel, beispielsweise der Spiegel 82, ist bzw. sind konkav ausgebildet, um die Bündelung des Laserstrahles für den Durchgang durch die Innenbohrung 74 des Lasers zu verbessern. Gegebenenfalls kann die gesamte Anordnung vor Fehlern aufgrund von Gasbewegungen längs des Laserstrahlweges dadurch geschützt werden, daß sämtliche Teile des Weges des Laserstrahles außerhalb des gasgefüllten Innenraumes des Kolbens 71 evakuiert werden. Eine Bewegung von Gas innerhalb der Innenbohrung 74 des Lasers aufgrund der elektrischen Entladung wird kompensiert, da die Ionenbewegung im Gas längs der Innenbohrung 74 des Lasers in beiden Richtungen von der Anode 77 weg zu jeder der Kathoden in den Armen 73 erfolgt. Wird also der Laser durch eine Gleichstromentladung erregt, so treten gleiche und entgegengesetzt gerichtete Bewegungen der Gasteilchen innerhalb der Innenbohrung 74 des Lasers auf. Die Länge der Innenbohrung 74 ist genügend groß gewählt, um die Verluste im Lasersignal auf dem Umlaufweg überwinden zu können. Beispielsweise beträgt die Länge 20 cm bis 100 cm. Die gesamte Weglänge kann dadurch verkürzt werden, daß zusätzliche Laser auch in die anderen Zweige des rechteckigen Laserstrahlweges gelegt werden und gegebenenfalls kann einer oder können mehrere der Spiegel als Teile der Fenster 75 ausgebildet sein, um die Verluste zci vermindern.

In dem dem Laser 10 gegenüberliegenden Zweig des rechteckigen Laserstrahlweges liegt ein Bauteil 85 mit polarisationsselektiver Dispersion, welches von einem Quarzkristallkörper gebildet ist, der mit seiner Z-Achse oder optischen Achse parallel zum Ausbreitungsweg des Laserstrahles ausgerichtet ist. Das Bau-

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teil 85 erzeugt die reziproke, polarisationsselekti-^4^il»p*9-7 sion, von welcher im Zusammenhang mit dem Bauteil 17 nach Figur die Rede war.

Ist die durch die reziproke, polarisationsselektive Dispersion hervorgerufene Frequenz trennung verhältnismäßig groß und beträgt beispielsweise 150 MIIz, so bewirkt der Faraday-Effekt im Quarzkristall eine ausreichende nichtreziproke, polarisationsselektive Dispersion, um eine Frequsnztrennung von beispielsweise 0,1 °/o derjenigen Frequenz trennung zu erreichen, welche durch die reziproke, polarisationsselektive Dispersion hervorgerufen wird. Die Faraday-Drehung wird mittels eines Permanentmagneten 68 erzeugt, welcher an magnetische Polschuhe 87 und 88 an den Enden des Kristalls 85 angesetzt ist und ein Magnetfeld erzeugt, das koaxial zum Laserstrahl verläuft. Die Polschuhe 87 und 88 sind mit Öffnungen versehen, um den Laserstrahl hindurchtreten zu lassen. Da Veränderungen im Magnetfeld zu Frequenzverschiebungen führen, welche sich im Ausgangssignal auslöschen, ist die Größe des Magnetfeldes kein kritischer Wert und wird für die betreffende Länge des Kristalls 85 so gewählt daß eine ausreichende, nichtreziproke Polarisationsverschiebung entsprechend den bekannten physikalischen Konstanten von Quarz erreicht wird. Anstelle von Quarz kann eine Vielzahl anderer Werkstoffe verwendet werden, welche die gewünschte reziproke, polarisationsselektive Dispersion und die nichtreziproke Faraday-Polarisationsdispersion besitzen. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel erzeugt ein Quarzkristall mit einer Länge von etwa 4 mm bei einer magnetischen Feldstärke von 2.000 Gauß die gewünschte Frequenzaufspaltung.

Aus dem System ausgekoppeltes Licht, beispielsweise in den geringen Mengen, welche durch den Spiegel 83 hindurchtreten, fällt auf eine Auswerteinrichtung 89, welche Viertelwellenplatten, halbdurchlässig verspiegelte Spiegel, Polarisationsanalysatoren und Fotodetektoren in geeigneter Anordnung enthält, wie dies beispielsweise im Zusammenhang mit Figur 1 beschrieben wurde, Für das Ausführungsbeispiel nach Figur 3 besitzt der Laser eine verhältnismäßig scharfe Verstärkungskurve aufgrund der Molekülresonanz, wie in Figur 2 durch die Kurve 90 gezeigt ist, wobei die Diagrammpunkte halber Leistung einen Abstand von etwa

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1.000 MHz voneinander haben, wie durch die Punkte 91 angedeutet ist. In einem derartigen System mit einem verhältnismäßig langen Weg des Laserstrahls können nebeneinander liegende Schwingungszustände oberhalb der Punkte halber Leistung auftreten. Diese Schwingungszustände haben bei dem gezeigten Beispiel einen Abstand zwischen 300 MHz und 400 MHz von den gewünschten Betriebsfrequenzen 21, 22, 23 und 24 und sind durch die Frequenzlinien 92 angedeutet. Da die Kurve 90 im wesentlichen einer Gauss'sehen Verteilung des Verstärkungsgewinns über der Frequenz entspricht, kann die Verstärkung des Systems durch Einstellung der Energiezufuhr 78 so einreguliert werden, daß der Verstärkungsgewinn der Schleife für diejenigen Frequenzen, welche in den Bereichen der Kurve 90 gelegen sind, in welchen sich die nebeneinander liegenden Schwingungszustände 92 befinden, kleiner als eins ist, was beispielsweise für den unterhalb der Linie 93 gelegenen Teil der Kurve 90 gilt. Die Schwingungszustände 92 werden dann nicht angeregt, und Differenzfrequenzen, welche durch solche Schwingungszustände erzeugt würden, werden demgemäß ausgeschaltet.

Gegebenenfalls können aber auch die benachbarten Schwingungszustände angeregt werden, wenn das System so betrieben wird, daß die Frequenzaufspaltung aufgrund der nichtreziproken Faraday-Drehung nicht einen Wert von '.venigen hundert Kilohertz übersteigt. Die Ausgangs-Fotodetektoren, beispielsweise die Detektoren 46 und 48 gemäß Figur 1 können zusammen mit den Belastungswiderständen 51 und 52 so ausgebildet werden, daß sich eine Nebenschlußkapazität ergibt, durch welche sämtliche Frequenzen etwa oberhalb 1 MHz ausgefiltert werden, so daß die in den Ausgängen auftretenden Differenzfrequenzen Frequenzbänder von einigen wenigen Hz Breite darstellen, welche die Änderungen des Frequenzabstandes zwischen den Hauptfrequenzen und ihren benachbarten Schwingungszuständen darstellen. Diese schmalen Frequenzbänder können in den Zählern 53 und 54 oder in einer Frequenz-Diskriminatorschaltung ausgemittelt werden, was in üblicher Weise geschehen kann. Bei einer solchen Betriebsweise kann gegebenenfalls die Stabilisierung der Weglänge beispiels-

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weise mittels eines einem Spiegel zugeordneten Quarzkristalls, entfallen, da benachbarte Schwingungszustände stets innerhalb der Verstärkungskurve gelegen sind.

Dem Fachmann bietet sich noch eine Reihe von Abwandlungsmöglichkeiten der zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiele. So kann eine beliebige Laserart verwendet werden. Die Breite der Verstärkungsgewinnkurve kann dadurch eingestellt werden, daß die Gasmischungen und die Betriebsströme reguliert werden. Ferner können Festkörper-Laser verwendet werden, beispielsweise mit Rubinkristallen oder mit neodymdotierten Yttriumaluminat-Granatkristallen oder neodymdotierten YttriumorLhoaluminat-Kristallen. Während im allgemeinen die Genauigkeit des Systems bei gegebener Größe mit dem Frequenzbereich zunimmt, sei darauf hingewiesen, daß die der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken in gleicher Weise auch bei niedrigeren Frequenzen, beispielsweise im Mikrowellenbereicli anwendbar 3ind und daß anstelle eines ■ausgedehnten Laserverstärkers, wie er hier gezeigt ist, auch andere Verstärker, beispielsweise Halbleitergeräte, verwendet werden können.

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Claims

22Ü9397 Patentansprüche

1. Gyroskop, insbesondere Laserkreisel, bei welchem Wellenstrahlungen in entgegengesetzter Laufrichtung durch einen Übertragungsweg geschickt werden und die bei Bewegung des Übertragungsweges für die jeweilige Laufrichtung unterschiedliche Frequenzänderung untersucht wird, dadurch gekennzeichnet, daß jede der den Übertragungsweg entgegengesetzt zueinander durchlaufenden Wellenstrahlungen mehrere, im wesentlichen kohärente Frequenzen enthält und daß im Übertragungsweg Verstärkermittel für die Wellenstrahlung angeordnet

2. Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den Übertragungsweg in einer Richtung durchlaufende Wellenstrahlung mindestens j^zwei Frequenzen (21, 24) enthält, welche oberhalb und unterhalb zweier Frequenzen (22, 23) der den Übertragungsweg in der anderen Richtung durchlaufenden Wellenstrahlung liegen und daß die bei Bewegung des Übertragungsweges auftretenden Frequenzverschiebungen zwischen den beiden unteren Frequenzen (21, 22) und zwischen den beiden oberen Frequenzen (23, 24) auswertbar sind.

3. Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsweg Mittel ( 16, 17, 18) zur Verzögerung der Wellen abhängig von ihrem Polarisationssinn enthält.

4. Gyroskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die unterschiedlichen Frequenzen (21, 22, 23, 24) je einer Laufrichtung durch die Mittel zur unterschiedlichen Verzögerung der Wellen abhängig vom Polarisationssinn erzeugbar sind.

5. Gyroskop nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur unterschiedlichen Verzögerung der Wellen

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abhängig vom Polarisationssinn einen reziprok arbeitenden Kristall-Rotator (17 bzw. 85), enthalten.

6. Gyroskop nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zur unterschiedlichen Verzögerung der Wellen abhängig vom Polarisationssinn einen Faraday-Eotator (18 bzw. 85) enthalten.

7. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsweg zumindest teilweise durch Reflektoren (12, 13, 14, 15 bzw 80, 81, 82, 83) bestimmt ist.

8. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß der Übertragungsweg ringförmig.ist.

9. Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstärkermittel (10) von einem Lasermedium, insbesondere von einem Gaslaser, beispielsweise einem Helium- und Neon- enthaltenden Laser gebildet sind.

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