DE2345912A1 - Drehempfindlicher polarisationswandler - Google Patents

Description

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Drehempfindlicher-Polarisations-Wandler

Kurze Übersicht .

Der Drehempfindliche-Polarisations-Wandler "besteht aus einem optischen Ring,durch den zwei linear polarisierte Lichtstrahlen in entgegengesetzter Richtung geleitet werden. In dem optischen Ring ist ein Licht aufspaltendes und wiedervereinigendes Element zum Erzeugen von zwei rechtwinklig zueinander stehenden linear polarisierten Lichtkomponenten und zur Wiedervereinigung derselben, eingefügt. Rotation im inertialen Raum verursacht eine Wandlung der Polarisationsform des wiedervereinigten Strahles, die dann zwecks Bestimmung des Betrages der Rotation analysiert wird. Ein zweites Licht aufspaltendes und wiedervereinigendes Element ist mit dem ersten derart kombiniert, dass die Durchgangsachsen von beiden einen Winkel von ^5 zueinander einnehmen. Das zweite aufspaltende Element hat einen doppelten Zwecki das Signallicht von dem Licht, das in der ursprünglichen Ebene des von der Lichtquelle ausgestrahlten Lichtes schwingt, zu trennen und gleichzeitig als Polarisationsform Analysator zu dienen. Das Licht aufspaltende und wiedervereinigende Element besitzt einen hohen Wirkungsgrad.

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Die Lichtquelle besteht vorzugsweise aus einem Laser, der in einer bestimmten Art arrangiert ist und das System ist imstande "Lock-in" und Mullschwankungen zu verhindern und besitzt eine hohe Messgenauigkeit bei kleinen Eingangswerten.

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Dr e h emt> f i nd 1 i c h er-Po la r i_ s a t igmj^Wdl·

Diese Erfindung ist eine teilweise Fortsetzung meines USA Patentes 3,692,385 vom 19. September 1972 (Rotation Sensitive Retarder System) und der Offenlegungsschrift Serial Nr. 2 122 920 vom 16. Dezember 1971 mit dem Titel:Drehempfindlicher-Polarisations-Wandler.

Stand der Technik.

In meinem Patent USP 3,692,385 wird ein Drehempf indlicher-Polarisations-Wandler offenbart lind geschützt, der aus einem optischen Ring besteht,durch den zwei rechtwinklig zueinander stehende linear polarisierte Lichtstrahlen in entgegengesetzter Richtung geleitet werden. Ein Licht aufspaltendes und wiedervereinigendes Element wird dazu benutzt in dem optischen Ring zwei rechtwinklig, zueinander stehende Lichtkomponenten zu erzeugen und die Komponenten wieder zu vereinigen. Rotation im inertialen Raum ruft Polarisationswandluns in dem wiedervereinigten Strahl hervor, der dann analysiert wird um das Ausmass der Rotation zu bestimmen. Ein zweites Licht aufspaltendes und wiedervereinigendes Element, das sich in dem wiedervereinigten Strahl, der aus dem optischen Ring

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auftaucht,befindet, trennt das Signallicht von dem Licht) das in der ursprünglichen Polarisationsebene schwingt und lenkt es in die Richtung zum Analysator und Photosensor ab.

Einer der Gegenstände der Erfindung besteht darin, ein System der oben beschriebenen Art, mit verbessertem Lichtwirkungserrad zu ermöglichen.

Es ist wohlbekannt, dass die Genauigkeit des konventionalen Schwebunssfrequenz-Ringlaser-Kreisels um viele Gross enordmmgen besser sein könnte als das für Ortung und Navigation erforderlich ist, wenn der fundamentale Rauschprozess der spontanen Emission allein die Grenze für die Genauigkeit setzen wurde. Die Genauigkeit eines Laser-Kreisels, der an dieser fundamentalen theoretischen Grenze arbeitet, würde bei weitem Winkelgeschwindiitkeitsabwanderungen von 10"^ Grad pro Stunde überschreiten. Wenn diese fundamentalen theoretischen Genauigkeiten verwirklicht werden könnten, wäre der Laser-Kreisel jedem modernen Massenkreisel mit Rücksicht auf Genauigkeit und geringen Kosten weit überlegen.

Unglücklicherweise stosst der mit Schwebungsfrequenz arbeitende Laser-Kreisel auf bedeutende Schwierigkeiten, die als die praktische Grenze für die Genauigkeit angesehen werden müssen, nämlich auf "!Lock-in¹¹ und Schwankungen der Nullstellung, die durch den" Pizeau Effekt hervorgerufen werden. Diese Faktoren rufen Fehler hervor, die viele Grossenordnungen über dem liegen, was für die Messgenauigkeit

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in einem ünertialen System nötig ist. 23 A 59

Die "Lock-in" Erscheinung verhindert den Laser-Kreisel daran kleine Winkelgeschwindigkeiten genau zu messen. Sie wird durch Energiekupplung zwischen den beiden Schwingungen in dem Verstärkermedium hervorgerufen und führt zu einer charakteristischen Eingangs-Ausgangsbeziehung wobei der Frequenzunterschied unterhalb einer gewissen V/inkelgeschwindigkeitsschwelle nicht mehr existiert. Wenn die Eingangswinkelgeschwindifikeit verkleinert wird, dann fällt die Differenzfrequenz zwischen den beiden Schwingungen auf Null, bevor die Eingangswinkelgeschwindigkeit auf Null heruntergeht.

Die Winkelgeschwindigkeit, bei der sich der Abfall beim herkömmlichen Helium Neon Ringlaser vollzieht, liegt viele Grossenordnungen über der Genauigkeit^die ein inertiales Navigations System haben sollte, typisch in der Grössenord-

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nung von 100 pro Stunde bei einem Ringlaser mit 0,1 m Ringfläche.

Um diesen hohen Schwellwert, der durch das Lock-in verursacht wurde zu vermeiden, wurden verschiedene mechanische und optische Kittel zur Vorbelastung des Ringlaser-Kreisels entwickelt, durch die der Arbeitspunkt von den sehr kleinen Eingangsgeschwindigkeiten hinweg auf höhere Eingangswerte, bei dem sich der Betrieb dem Idealzustand nähert, verschoben wird. Aber wegen der hohen Grössenordnung des Schwellwertes besitzt das Problem eine grosse

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Bedeutung und eine Verkleinerung des Lock-in Fehlers auf Werte die kleiner als 0,1 Grad pro Stundejsind schwer erreichbar.

Eine zweite bedeutende Fehlerquelle in Schv/ebur.^sfrequenz-Ringlaser-Kreisel ist die Nullabwanderunr» die durch den Pizeau Effekt hervorgerufen wird. Stabilität.s-, spektrale Reinheit- und Wirkungsgradforderungen haben den Gebrauch eines Gaslasers diktiert, der mit Gleichstrom erregt wird. Die normale Wahl fur das Verstärkernediu^rn ist .Helium-Neon. Aber wenn die Gasentladung mit Gleichstrom aufrechterhalten wird, fliesst das Gas in der Entladungsröhre von der Anode zur Kathode und zurück. Auj" diese Weise finden die Lichtwellen, die durch die Entladungsröhre in entgegengesetzten Richtungen wandern, verschieden lange Lichtpfade, als eine Folge des Fizeau-Effekts, vor. Das führt zu Veränderungen der Schwingungsfrequenzen des Lichtes. Die Gasbewegung kann scheinbare Abwanderungen von einigen Hundert Grader, pro Stunde hervorrufen, falls sie nicht in den beiden Richtungen ausgeglichen wird. Die Gasbewegung verursacht ein zusätzliches Ausgleichproblem von beträchtlicher Grossenordnung. Auch dieses Problem ist nur bis zu einem gewissen Grade durch die Anwendung von zwei geometrisch symmetrischen Entladungsröhren oder durch andere Mittel; die den Störeffekt der Gasbewegung ausg-ieichen, gelost worden.

Der Drehempfindliche-Polarisations-Wandler dagegen,

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den diese Patentschrift beschreibt, erzeugt ein Ausgangssignal dessen Intensität eine Funktion der Eingangswinkelgeschwindigkeit ist, anstelle einer Schwebungsfrequenz wie beim herkömmlichen Ringlaser. Die Schwingungsfrequenz der beiden gegenläufigen Strahlen bleibt konstant und ist unabhängig von der Eingangsgeschwindigkeit. Dadurch ist das Lock-in Problem beseitigt.

Darüber hinaus ist der neue Laser-Kreisel ausserordentlich gut geeignet für die absolute Ausmerzung der Nullabwanderung, indem er es möglich macht die Lichtkomponenten auf identischen Pfaden in der gleichen Richtung durch das Verstärkermedium laufen zu lassen, ganz im Gegensatz zum Schwebungsfrequenz-Laser bei dem sie immer in entgegengesetzter Richtung durch das Verstärkermedium laufen müssen.

Aus diesen Gründen arbeitet das System dieser Erfindung am genauesten bei kleinen Eingangswinkelgeschindigkeiten, d.h. in einem Gebiet wo hohe Empfindlichkeit von höchster Bedeutung ist.

Weitere Gegenstände der Erfindung bestehen in besonderen Modulationsmethoden und der Analysierung der Polarisationsform, in mechanischen und elektrischen Ausgleichmethoden, die besonders dazu vorteilhaft sind den Abwanderungswinkel zu finden, der das Zeitintegral der Winkelgeschwindigkeit darstellt, in analogen und digitalen Rückkopplungsanordnungen und in der Vermeidung von LichtVerlusten im optischen Ring, die durch die Oberflächen der optischen Elemente im Lichtpfad verursacht werden.

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Kurze Beschreibung der Zeichnungen. Z ο 4 O α \ Ζ

Die Kennzeichen der Erfindung v/erden durch die folgende Beschreibung im Zusammenhang mit den begleitenden Zeichnungen besser verständlich.

Fig. la und Ib sind schematische Darstellungen von besonders wirksamen polarisierenden Strahlteilern _} die mit Vorteil in dem System der Erfindung anwendbar sind.

Fig. 2 ist ein perspektivisches Schema des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandler Systems der Erfindung, das mit einem hochwirksamen polarisierenden Strahlteiler, einem Faraday-Modulator in dem optischen Ring und einer äusseren Lichtquelle ausgerüstet ist·

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Form des Drehempfinlichen-Polarisations-Wandler Systems der Erfindung, das mit einem mechanischen Modulator und einer Gaslaser-Entladungsröhre im optischen Ring ausgerüstet ist.

Fig. 4 ist ein Vektordiagramm des Lichtes, das aus dem polarisierenden Strahlteiler des optischen Rings wiederauftaucht.

Fig. 5 ist ein Diagramm des optischen Rings eines

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herkömmlichen Schwebungsfrequenz Ringlasers. oo / r η ι *-»

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Fig. 6 ist ein Diagramm einer vereinfachten optischen Schaltung des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandlers, der mit einem dreieckigen Ring ausgerüstet ist.

Fig. 7 ist das Diagramm einer vereinfachten optischen Schaltung des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandlers der mit einem quadratischen Ring ausgerüstet ist.

Fig. 8_t a-f sind Zeitdiagramme, die die Wirkungsweise der Modulation illustrieren.

Fig. 9 ist eine Darstellung einer weiter abgeänderten Form des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandler Systems, das mit einer mechanischen Modulation und mechanischer Rückkopplung ausgerüstet ist.

Fig. 10 zeigt ein Drehempfindliches-Polarisations-Wandler System mit elektrischer Rückkopplung.

Fig. 11 ist das Diagramm eines optischen Ringes des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandler Systems in dem der Austausch der Schwingungsebenen des Lichtes mit geometrischen Mitteln, anstelle einer besonderen Halbwellen-Platte erreicht wird.

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Fig. 12 ist das Schema des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandler Systems, das mit einer Rückkopplung ausgerüstet ist, die mit Strompulsen arbeitet.

Allgemeine Beschreibung»

Der Drehempfindliche-Polarisations-Wandler, wie er in der Fig. 2 gezeigt wird, besteht aus dem Gaslaser 5» der das Licht in das aufspaltende und wiedervereinigende Element 1 wirft. Dieses Element 1, das im folgenden als polarisierender Strahlteiler oder auch als Polarisations-Strahlteiler bezeichnet wird, ist im optischen Ring untergebracht und stellt ein Teil desselben dar. Der übrige Teil des optischen Ringes wird durch die Spiegel 4b, 4c, 4d gebildet.

Ein zweiter polarisierender Strahlteiler 2, dessen Durchgangsachse um ^5° gegen diejenige des ersten Strahlteiler 1 gedreht ist, trennt das Signal von dem wiedervereinigten Strahl, der aus dem optischen Loop zurückkehrt.

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Einzelbeschreibung«

Der Polarisations Strahlteiler.

Ein sehr wesentlicher Bauteil des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandler Systems, das weiterhin einfach als RSR (Rotation Sensitive Retarder) bezeichnet wird, ist der polarisierende Strahlteiler, der als Aufspaltungs- und wiedervereinigendes Element in dem optischen Ring und als Abspaltungselement zur Trennung des Signallichtes vom ursprünglichen Lichtstrahl, gebraucht wird. Aus diesem Grunde ist eine kurze Beschreibung des Strahlteilers notwendig, bevor das gesamte RSR System als solches erläutert werden kann.

Um ein RSR System mit maximalem V/irkungsgrad zu erreichen, sollte der Polarisations-Strahlteiler, der im Prinzip nichts anderes als ein linear Polarisator ist, der beide senkrecht zueinander liegenden Lichtkomponenten erzeugt, einen Wirkungsgrad von 100 fo haben, d.h. beide austretenden Komponenten sollten 100 %> in ihrer richtigen Ebene polarisiert sein, wobei jede der austretenden Komponenten aus der Hälfte des einfallenden Lichtes besteht. Der im oben genannten Patent USP 3,692,385 erwähnte Glan-Foucault Polarisator ist ein reflektierender Polarisator, der mit einem Luftspalt zwischen zwei dreieckig gestalteten Prismen,

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die aus Kalkspat oder Sodium Kitrat (NaNO-,; bestehen, versehen ist. Dieser Strahlteiler ist nicht 100?$ wirksam und erfüllt nicht vollständig die oben erwähnten Forderungen. Wirksamere Polarisatoren, die sich mehr diesem Zweck anpassen und die in den optischen Schaltungen dieser Erfindung benutzt werden, sind in der Fig. la und der Fig. Ib gezeigt.

Der Strahlteiler der Fig. la besteht aus den beiden Prismen a und b, die aus doppelbrechendem Material wie Kalkspat oder NaNOo hergestellt sind. Die optischen Achsen liegen in Richtungen, die durch Linien und Punkte angedeutet sind. Die dreieckig gestalteten Prismen a und b stehen an ihren diagonalen Ebenen in direktem optischen Kontakt zueinander.

In dem Strahlteiler der Fig. .Ib sind ähnlich gestaltete Prismen a und b, die allerdings aus einem isotropischen Material wie Glas bestehen, angewandt. Die Prismen werden . durch eine dünne Platte aus Kalkspat oder NaNO- getrennt. Der Brechungsindex n«, des Glases ist derart gewählt, dass er gleich dem Brechungsindex η des ordentlichen Strahles des doppelbrechenden Materials der dünnen Platte c ist (n_G1 = n₀). Die optische Achse in der dünnen Platte c liegt parallel zu der Plattenoberfläche und die Platte ist derart zwischen den zwei Prismen a und b eingebaut, dass die optische Achse parallel zu der Scheitellinie des dreieckig geformten Prismas zu liegen kommt, d.h. senkrecht zu der

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Papierebene in der Fig. Ib, wie durch die Punkte angedeutet wird»,

Die Platte c ist wie vorher mit den Prismen a und b entweder durch direkten optischen Kontakt oder mittels eines optischen Zements, dessen Brechungskoeffizient gleich dem Brechungskoeffizient n_Q des doppelbrechenden Materials der Platte c ist, verbunden. Derartiger Zement ist im Handel erhältlich. Kalkspat und NaNOo sind negative doppelbre= chende Materialien bei denen der Brechungskoeffizient n_Q des ordentlichen Strahles grosser ist als der Index n„ des ausserordentlichen Strahles E.

Wenn der Scheitelwinkel © in den.Prismen a und b der Fig. la und Ib grosser gewählt wird als der kritische Winkel c£> für die totale Reflektion des E Strahles für den die Beziehung gilt:

dann wird der E Strahl total an der diagonalen Oberfläche des Prismas b in Fig. la reflektiert, oder an der Oberfläche der dünnen Platte c im Strahlteiler der Fig. Ib. Der kritische Winkel bei Kalkspat betragtt Φ_Γ^ ~ ^3° und bei NaNO₃ t cj& = 57° 4-0*.

Der 0 Strahl läuft dagegen geradewegs durch das Prisma, weil er auf seinem Weg durch den Strahlteiler immer eine gleichgrosse optische Dichte vorfindet, d.h.

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immer den gleichen Brechungskoeffizienten η . Die Schwin- ~gungsebenen des 0 und des Ξ Strahls sind in Fig. la und Ib durch drei kurze Striche quer zur Strahlrichtung oder drei Punkte angedeutet.

Um totale Reflektion des E Strahles an der oberen inneren Flache des"Prismas a zu vermeiden, kann ein zusätzliches Prisma d angefügt werden. Die Prismen a und d könnten auch-aus einem einzigen Stück Glass bestehen. Die Gestalt des Prismas a>ebenso wie diejenige des Prismas d, kann gemäss der gewünschten Austrittsrichtung der entsprechenden Lichtkomponente entsprechend abgeändert werden, wie das bei dem Strahlteiler 1 in Fig. 2 der Fall ist.

Es sind natürlich Abänderungen des beschriebenen Polarisations-Strahlteilers möglich. Die optische Achse in der dünnen trennenden Platte könnte senkrecht zu der Richtung des ordentlichen Strahles 0 und senkrecht zu der Scheitellinie des Prismas liegen. Die zv/ei Glas Prismen könnten auch aus demselben doppelbrechenden Material wie die Zwischenplatte, bestehen, wobei die optische Achse in den Prismen parallel zur Richtung des 0 Strahles ausgerichted ist. Diese letzte Modifikation vermeidet die Wirkung von inneren Spannungen, die in einem isotropischen Material wie Glas vorhanden sein können.

Grunsätzlich ist es möglich in dem RSR System auch andere Sorten von Polarisatoren, wie z.B. den Glan-Foucault Polarisator, zu verwenden. Die optische Schaltung der

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Erfindung funktioniert jedoch am besten mit einem passenden Polarisations-Strahlteiler hohen Viirkungsgrades.

Der Drehempfindliche-Polarisations-Wandler.

Hauptzweck des Drehempfindlichen-Polarisations-Wandlers der Erfindung ist das Erreichen eines grossen AusgangesignaIs mit einem begrenzten Betrag von Lichtenergie. Gleichzeitig sollte die Abmessung des gesamten Systems klein sein. Bei dem RSR System wird dies durch eine grosse Lichtintensität des Ausgangssignals, das durch die Umwandlung des ursprünglich einfallenden Lichtes von der Lichtquelle bei kleinen Eingangsgeschwindigkeiten erzeugt wird, erreicht. Um den grosstmöglichen Wirkungsgrad zu erreichen,sollten die Lichtverluste, die durch Streuungen, durch teilweise Reflektion des Lichtes an den Oberflächen der optischen Elemente im Lichtpfad erzeugt werden und das Rauschen im Ausgangssignal, klein sein.

Optimaler Gebrauch der ursprünglichen Lichtenergie wird im herkömmlichen Ringlaser, der den optischen Ring als Resonanzraum benutzt, erreicht. Unglücklicherweise stossen die bisher bekannten Ringlaser auf bedeutende Probleme, die durch Lock-in und die Nullabwanderung verursacht werden. Die Nullabwanderung rührt vom Gasfluss im Verstärkermediun her. Y/ie bereits ausgeführt^wird hierdurch

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die theoretisch erreichbare Genauigkeit sehr herabgesetzt.

Das RSR System der Erfindung kann auf eine ähnliche Weise wie der herkömmliche Ringlaser betrieben werden, indem der optische Ring als Resonanzraum benutzt wird« Ein solches RSR System v/eicht jedoch in seiner Wirkungweise beträchtlich vom herkömmlichen Ringlaser ab, da'der Lock-in-Fehler sowohl als die Nullabwanderung völlig vermieden werden können, wie im Folgenden beschrieben wird.

Um den optischen Ring des RSR Systems als Resonanzraum zu benutzenjmussen gewisse Bedingungen erfüllt sein. Um die Bedingungen zu erläutern beginnen wir mit der Erklärung eines normalen RSR Systems, das mit einer unabhängigen Lichtquelle ausgerüstet ist und ähnlich aufgebaut ist, wie das System, das bereits im ursprünglichen Patent diskutiert wurde. Das RSR System, das in der Fig. 2 gezeigt wird, ist im Gegensatz zu dem System des oben genannten Patentes USP 3,692,385 mit den hochwirksamen Strahlteilern 1 und 2, die im vorhergehenden Paragraph beschrieben wurden, der Faraday Zelle 9i die später beschrieben wird und einer Gaslaser-Lichtquelle 5 ausgerüstet.

Der Gaslaser, der sich ausserhalb des Ringes befindet, besteht aus der Entladungsröhre 5 und den beiden Endspiegeln 3a und 3b. Der Endspiegel 3b reflektiert das Licht nur teilweise. Ein gewisser Betrag des Lichtes, weniger als 1 % wie bei herkömmlichen Gaslasern, wird durchgelassen. Die Entladungsröhre 5 ist mit den Brewster Fenstern 5a und

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5b ausgestattet. Dadurch ist das ausgestrahlte Licht linear polarisiert. Die Entladeröhre 5 ist derart eingestellt, dass die Ebene der ausgestrahlten Lichtschwingungen einen Winkel von ^5 gegen die Papierebene einnimmt, wie durch die drei Querstriche im Lichtstrahl in Fig. 2 angedeutet ist.

Das in dieser Weise polarisierte Licht kann ungehindert durch den Strahlteiler 2 gehen, weil es parallel zur Durchgangsachse seines ordentlichen Strahles O^ schwingt. Der Strahlteiler 2 besteht aus den beiden Glasprismen 2a und 2b, die durch die dünne doppelbrechende Platte 2c getrennt sind.

Aber die Durchgangsachse des Strahlteilers 1, der aus den beiden durch die doppelbrechende Platte Ic getrennten Glasprismen la und Ib besteht, ist um einen Winkel von ^5° gegen die Durchgangsachse des Strahlteilers 2, und dessen ordentlichen Strahl O₂ gedreht, wie die Fig. 2 zeigt. Dadurch spaltet der Strahlteiler 1 den einfallenden Strahl 0£ in zwei senkrecht zueinander liegende Strahlen auf, in den ordentlichen Strahl 0 und den'ausserordentlichen Strahl E^. Die Schwingungsebenen der senkrecht zueinander liegenden Strahlen 0. und E. werden durch das Vektordiagramm 6 in Fig. 2 gezeigt. Zusätzlich sind sie durch Querstriche in den Lichtstrahlen, die in entgegengesetzter Richtung um den Ring laufen, markiert.

Der optische Ring ist durch die innere Reflektion

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an der Fläche ka. des Glasprismas la, den Eckspiefrein ^b» ^c, 4d und der inneren Reflektion an den Flächen ho. und kf des Glasprismas Ib vom Strahlteiler 1, verwirklicht. Zusätzlich sind in den Lichtpfad des Ringes die Halbwellenplatte 7 und die Faraday Zelle 9 eingeschaltet.

Die Halbwellen-Platte 7, deren optische Achse durch den mit zwei Spitzen versehenen Pfeil angedeutet ist, tauscht die Schwingungsebene der gegenläufigen Lichtstrahlen gegeneinander aus um die Wiedervereinigung durch den Strahlteiler 1 zu ermöglichen. Das wiedervereinigte Licht, das vom Strahlteiler 1 auftaucht, schwingt wieder in der ursprüngliehen Ebene des ordentlichen Strahls 0 vom Strahlteiler Dadurch kann der Strahl ungehindert durch den Strahlteiler hindurchgehen und auf den Endspiegel 3b fallen, der den grossten Teil des Lichtes zurückwirft.

Wenn das RSR System einer Winkelgeschwindigkeit im inertialen Raum ausgesetzt v/ird_t entsteht ein Wegunterschied, der beiden gegenläufigen Lichtstrahlen im Ring. Die Weglänge des Lichtstrahls, der in der Richtung der Drehung des Systems lauft, wird verlängert und diejenige des Lichtes, das in entgegengesetzter Richtung läuft, vo~- kürfctvt Der Unterschied in den Weglängen verursacht eine Phasenverschiebung Qf zwischen den wiederauftauchenden Lichtkomponenten O₁ und S₁ vom

/5 c

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wo Λ die vom Ring umschlossene Fläche, η die Wellenlange des Lichtes und c die Lichtgeschwindigkeit darstellen·

In Folge des Phasenverschiebungswinkels J können die LiehtkoTnponenten CL und E-, nicht mehr zu linear polarisiertem Licht, wie in dem Falle wenn keine Eingangswinkelgeschwindigkeit vorhanden ist, vereinigt werden. Statt dessen ist das wiedervereinigte Licht elliptisch polarisiert und die Ellipsenform vergrö'ssert sich mit der Eingangsgeschwindigkeit (O₀ . Im extremen Fall wird zirkulär polarisiertes Licht aus dem Strahlteiler 1 auftauchen. Der Strahlteiler 2 erlaubt jedoch nur linear polarisiertem licht, das in der Ebene seines ordentlichen Strahles O2 schwingt, den Durchgang. Aber elliptisch oder zirkulär polarisiertes Licht enthält einen Lichtvektor, der in einer Ebene senkrecht zum Strahl Op schwingt, d.h. in der Ebene des ausserordentlichen Strahls E£ des Strahlteilers 2, wie sich leicht aus dem Vektordiagramm der Fig. 4 klar machen lässt. Das Vektordiagramm 4 zeigt die aus dem Strahlteiler auftauchenden Lichtkomponenten. Dieses Licht E£ läuft nicht gerade durch den Strahlteiler 2 durch, sondern wird total an seiner dünnen Platte 2c reflektiert und so zum Photodetektor 8 abgelenkt.

Das auf den' Photodetektor 8 einfallende Licht erzeugt einen Photostrom ip, der im Vorverstärker 14 verstärkt wird und zum Gleichrichter I5 fliesst. Die Aufgabe des Gleichrichters 15t dessen Ausgangsstrom durch das

~¹⁷~ BAD

0 9 8 1 U I 0 8 9 2

Instrument 16 angezeigt wird, wird an späterer Stelle genauer erklärt. Die elektrische Energie wird vom Wechselstrom Generator 13 geliefert.

Der Lichtvektor E2· der auf den Photosensor 8 auffällt, wächst mit der Winkelgeschwindigkeit CO₀ . Die Grosse von E2 ergibt sich zu:

oder da der Phasenwinkel 0 immer sehr klein ist zut

wobei B_T die Amplitude des gesamten wiedervereinigten Lichtes, das aus dem Strahlteiler 1 auftaucht, darstellt. Der Photostrom i ist jedoch nicht proportional '-zur Amplitude des Lichtvektors Έ,^ , sondern proportional zur Lichtintensität, die das Quadrat der Amplitude ist. Dadurch ergibt sich der Photostrom^der durch den Phasenwinkel Q hervorgerufen wirdj zu«

wobei K eine Konstante darstellt, die durch die Eigenschaften des Photosensors u.s.w. bestimmt ist und B_T die Lichtintensität des gesamten aus dem Strahlteiler 1 auftauchenden

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wiedervereinigten Lichtes ist.

Die Gleichung 4 zeigt, dass der Photostrom i mit der Intensität des Lichtes, das von der Lichtquelle ausgestrahlt wird und mit dem Quadrat der Phasenverschiebung wächst. Da sich der Winkel '(J gemäss Gleichung 2 proportional mit der Winkelgeschwindigkeit CQ_O vergrb'ssert, wächst auch der Photostrom i mit dem Quadrat der Eingangswinkelgeschwindigkeit

": Vielfach-Lichtumlauf.

Beim Ringinterferometer bleibt der grösste Teil der Lichtenergie, nachdem sie durch den Ring gelaufen ist, unbenutzt. Im Gegensatz dazu läuft das Licht beim Ringlaser viele Male um den Ring, wodurch die gesamte Lichtintensität im Ring bedeutend erhöht wird. Das ist der Hauptgrund für die hohe Genauigkeit eines Ringlasers kleiner Abmessungen, wenn der Lock-in Effect ausser acht gelassen wird. In dem RSR System der Fig. 2 kann das Licht ebenfalls viele Male um den Ring wandern. Das meiste Licht, das aus dem Strahlteiler 2 wieder auftaucht und auf den Endspiegel 3_t fallt kehrt ein zweites Mal in den Ring zurück. Dieses reflektierte Licht wird sich dem vom Laser 5 ausgestrahlten Licht überlagern.

Wie oft das Licht um den Ring laufen kann und wie

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weit auf diese Weise die Lichtintensität Eq,'' vexgrüssei.t werden kann, hängt von den Lichtverlusten ab, die es bei jeder Rundreise erleidet. Bei jedem Rundlauf wird die ursprüngliche Intensität B_Q des Lichtes um einen gewissen Paktor t) verkleinert. Das ergibt eine entgültige Gesamtintensität Bip , die· die Summe einer geometrischen Reihe darstellt, deren Glieder sich laufend um den Faktor λ-ί verkleinern. Die Summe aller Glieder dieser Reihe ergibt sich zu»

_U

_r -U₀

Da /Y) immer kleiner als 1 ist, ist Yj⁰⁰ gleich Null. Auf diese Weise finden wir für die gesamte Lichtintensität B_T »

2·

Wenn der Wert fur B^² aus Gleichung 5 in die Gleichung 4 eingesetzt wird,ergibt sich ein Photostrom vom

oder wenn die Gleichung 2 herangezogen wird, vom

Wenn z.B. pro Rundreise 10 % des Lichtes verloren

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geht, dann ergibt sich ein Faktor λ) = 0,9 . Gemass Gleichung 5 oder 7 wird dann der Photostrom i bei einer gewissen Eingangsgeschwindigkeit 10 mal so gross sein als ohne den vielfachen Lichtumlauf. In dem Falle wo der Lichtverlust nur 1 % pro Rundreise beträgt, wird das Signal um einen Faktor von 100 vergrössert.

Die ,kleinsten theoretisch möglichen Lichtverluste sind durch die Lichtenergie bestimmt, die für das Lichtsignal gebraucht wird. Diese Lichtenergie, die auf den Photosensor 8 fällt, ist sehr klein. Wie später im Zusammenhang mit ausgeglichenen Systemen gezeigt wird, wird der maximale Phasenwinkel Q immer sehr viel kleiner bleiben als eine Bogensekunde oder 0,5 x 10*"^ radian. Der Faktors?

2 —10 konnte daher grosser sein als fi = 1 - 0,5 x 10 und gemäss der Gleichung 7 könnte der Photostrom i um einen

Faktor von mehr als = -_1Λ= ^ χ 10 °grosser sein.

1 —0j 0,25 x ΙΟ"¹⁰

Es kann mit Hilfe von Gleichung 7 gezeigt werden, dass dieser Verstärkungsfaktor" es theoretisch möglich macht,

eine Eingangsgeschwindigkeit CO₀ von 1,5 χ 10 °/h mit einem RSR System mit einer Ringfläche, die nicht grosser

als 100 cm ist, zu messen. Dieser Wert ist um viele Grossenordnungen genauer,als das für irgend ein Ortungsoder Navigations System nötig ist. Die einzige Forderung, die erfüllt werden muss, um dieses Ziel zu erreichen, ist Kleinhalten der Lichtverluste im optischen Ring. Wie das Kleinhalten der Lichtverluste im RSR System möglich

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gemacht werden kann.wird später beschrieben.

Der RSR Laser.

Bei den Genauigkeitsbetrachtungen im Zusammenhang mit dem vielfachen Lichtumlauf wurde im Stillen die Annahme gemacht, dass das umlaufende Licht nicht kohärent ist. Das trifft jedoch nicht zu, wenn wie in Fig. 2 ein Gaslaser als Lichtquelle benutzt wird. In diesem Falle muss kohärentes Licht vorausgesetzt und zusätzliche Faktoren in Betracht gezogen werden. Das Licht, das von dem Spiegel 3*> reflektiert wird, nachdem es einmal um den Ring gelaufen ist, wird nicht notwendigerweise die Lichtintensität des gesamten Lichtstrahles vergrö'ssern. Es hängt von dem relativen Phasenverschiebungswinkel zwischen den beiden überlagerten Lichtstrahlen ab, ob die endgültige Lichthelligkeit nicht sogar verkleinert wird. Wenn die relative Phasenverschiebung zwischen den beiden Strahlen 180° beträgt, dann können sich die beiden Strahlen sogar auslöschen.

Der relative Phasenwinkel zwischen den beiden überlagerten Strahlen hängt von der Weglänge ab, die das Licht ausgehend vom Spiegel Jh um den Ring und zurück, zurücklegen muss. Diese Weglänge muss ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge des Lichtes sein, wenn vergrb'sserte Intensität erreicht werden soll. Aus diesem Grunde muss der

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Spiegel 3*» genau einjustiert werden. Wenn die Justierung richtig ist befindet sich der Spiegel 3b genau an einem · Knotenpunkt der Lichtschwingung und beide WeglMngen an jeder Seite des Spiegels 3b sind ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge. Das zeigt, dass für die Weglänge ausserhalb des Spiegels 3b dieselben Regeln gelten wie für den Laser selbst. Der Weg um den Ring wird auf diese Weise ein Teil des Resonanzraumes des Lasers.

Unter diesen Umstanden kann der Spiegel 3b ganz entfernt' werden und der ganze Lichtweg einschliesslich des optischen Ringes als Resonanzraum des Lasers dienen. Das vereinfacht die Justierung beträchtlich. Nur der Spiegel 3a muss so justiert werden, dass der gesamte Lichtweg, ausgehend vom Spiegel 3a um den Ring und zurück, ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge ist.

In diesem Falle kann natürlich die Entladeröhre 5 an jeden beliebigen Punkt des Resonanzraumes gesetzt werden. Sie könnte also auch innerhalb des Ringes, wie das in Fig. der Fall ist, untergebracht sein.

Andererseits arbeitet das RSR System der Fig. 3 genauso wie das der Fig. 2 ohne den Endspiegel 3b. Der Ring in Fig. 3 wird durch die beiden Eckspiegel ^a und 4-b und den Strahlteiler 1 gebildet. Der Austausch der Schwingungsebene im Ring wird wieder durch die Halbwellen-Platte erreicht. Der wiedervereinigte Strahl, der aus dem Strahlteiler 1 auftaucht, läuft, durch.den Strahlteiler 2 und

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wird von dem Endspiegel Ja. zurückgeworfen. Die Gchwingungsebenen werden wieder durch das Vektordiagramm 6 und die drei Querstriche im Lichtstrahl angedeutet.

Der Strahlteiler 2 reflektiert an der dünnen Platte 2c alles Signallicht das durch die Winkelgeschwindigkeit verursacht wird, in Richtung Photosensor 8. Der Photostrom wird in dem Vorverstärker 14 verstärkt, im Gleichrichter 15 gleich gerichtet und vom Instrument 16 angezeigt. Der Wechselstromgenerator 13 versorgt den Gleirichter 15 sowohl wie den mechanischen Modulator 10 mit elektrischer Energie.

Durch die Entfernung des Spiegels 3b aus dem optischen Kreis der Fig. 2 oder durch die Anordnung der Entladeröhre 5 innerhalb des Ringes wie in Fig. 3ι wird aus dem RSR System ein Ringlaser, der dem gut bekannten herkömmlichen Schwebungsfrequenz Ringlaser sehr ähnlich ist. Zwischen den beiden bestehen jedoch grundsätzliche Unterschiede·

Wenn wir den Lichtstrahl in Fig. 5i die die optische Schaltung des herkömmlichen Schwebungsfrequenz Ringlasers zeigt, verfolgen, finden wir, dass der Lichtpfad in dem dreieckigen Ring mit den Eckspiegeln ^a, 4b, 4-c nach zwei Lichtumläufen geschlossen ist, wenn vom mittleren Strahl abgesehen wird.

Bei dem RSR Laser System dagegen, dessen vereinfachtes optisches Schaltbild noch einmal in der Fig. 6, in der die Strahlteiler 1 und 2 und die Halbwellen-Platte 7 durch

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gestrichelte Linien angedeuted sind, liegen die Dinge anders. Der Lichtpfad ist nicht geschlossen. Er beginnt und endet am Endspiegel 3a. Der Resonanzraum gleicht dem des gewöhnlichen Lasers>der mit zwei Endspiegeln ausgerüsted ist. Das RSR Laser System dagegen ist zusätzlich nur mit einem optischen Ring versehen, der es ermöglicht die beiden Endspiegel, durch einen einzigen zu ersetzen.

Ein anderer Unterschied besteht darin, dass der Endspiegel Ja. des RSR Laser Systems alles Licht reflektiert, während beim herkömmlichen normalen Laser einer der beiden Endspiegel teilweise lichtdurchlässig ist, um so einem gewissen Betrag des Lichtes den Austritt aus dem Laser zu ermöglichen.

Als eine Folge hiervon kann kein Licht aus dem RSR Läser System der Fig. 2 oder 3 austreten, solange die Eingangswinkelgeschwindigkeit CO₀ Null bleibt. Dabei ist natürlich immer vorausgesetzt, dass der Strahlteiler 2 einen Wirkungsgrad von 1Ö0 %· besitzt.

Wenn das RSR Laser System einer Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt wird, dann wächst der Betrag des aus dem Strahlteiler 2 austretenden Lichtes proportional mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit, wie bereits erläutert wurde.

Ein weiterer Unterschied zwischen dem herkömmlichen Ringlaser und dem RSR Laser besteht in dem Charakter des auftauchenden Signals. Das Signal des herkömmlichen Ringlasers schwankt in seiner Intensität mit einer Frequenz_;

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die proportional der Eingangswinkelgeschwindigkeit c0_o ist. Diese Intensitätsschwankung wird durch die Veränderung der Weglänge der gegenläufigen Lichtstrahlen, die durch die Eingangswinkelgeschwindigkeit hervorgerufen wird, erzeugt. Die Frequenz des Lichtes, das in der Richtung der Eingangswinkelgeschwindigkeitsdrehung läuft, verkleinert sich, während sich diejenige des gegenläufigen Strahles vergrössert'. Durch Überlagerung, Heterodyning, der beiden gegensinnig laufenden Lichtstrahlen wird ein Signal erzeugt, das mit der Schwebungsfrequenz, die sich proportional mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit vergrössert, schwankt." Im Gegensatz dazu ist das aus dem RSR Laser auftauchende Signal grundsätzlich verschieden· Es schwankt nicht in seiner Intensität. Die Frequenz des Lichtes der beiden gegenläufigen Strahlen im Ring bleibt konstant trotz Änderung der Lange des Resonanzraumes infolge von Winkelgeschwindigkeit. Der Grund für diese Verschiedenheit in der Wirkungsweise ist der Strahlteiler 2, der nur linear polarisiertes .Licht zum Endspiegel 3a durchlässt, das in der ursprünglichen Ebene des Og Strahles schwingt. All das Licht, das in der senkrecht dazu liegenden Ebene des ausserordentlichen Strahles E₂ schwingt, wird im Strahlteiler 2 in die Richtung zum Photosensor 8 angelenkt. Auf diese Weise beseitigt der Strahlteiler 2 automatisch jede Phasenverschiebung, die durch eine Winkelgeschwindigkeit verursacht wird. Der Strahlteiler 2 wirkt derart,

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dass die Weglänge des in Richtung der Winkelgeschwindigkeit umlaufenden Strahles und die Weglänge des gegenläufigen Strahles um den gleichen Betrag verlängert wird. Beide gegenläufigen Komponenten kommen immer ohne Phasenverschiebung am Endspiegel 3a an,unabhängig davon,ob das System einer Eingangswinkelgeschwindigkeit ausgesetzt ist.

Diese Wirkung des Strahlteilers 2 hat eine weitere sehr wichtige Folge. Wie bereits ausgeführt, wird ein grosses Ausgangssignal beim RSR Laser durch den vielfachen Umlauf des Lichtes um den optischen Ring erzeugt. Wenn wir jedoch die optische Schaltung der Fig. 2 oder 3 genauer prüfen, dann erhalten wir den Eindruck, dass die Phasenverschiebung, die im ersten Umlauf erzeugt wurde, durch die im zweiten Umlauf erzeugte wieder aufgehoben wird. Aber dieser Eindruck berührt auf der Annahme, dass die gegenläufigen Komponenten aus nicht kohärentem Licht bestehen. In diesem Falle könnte der Strahlteiler 1 nicht die beiden Komponenten zu linear polarisiertem Licht vereinigen. Die beiden Komponenten O₁ und E. würden aus dem Strahlteiler 1 getrennt auftauchen und unabhängig in ihren senkrecht zueinander liegenden Ebenen schwingen. &ie würden dann zum Strahlteiler 1,nachdem sie vom Endspiegel 3a reflektiert wurdenjin den gleichen senkrecht zueinander stehenden Ebenen schwingen. Als Folge davon würden die zurückkehrenden Komponenten auf ihrer zweiten Rundreise in umgekehrter Richtung um den Ring laufen. Das kann leicht festgestellt

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werden, wenn die Strahlen O₁ und JS₁ in den Fig. 2 und 3 verfolgt werden. Die gegensinnige Phasenverschiebung bei jeder zweiten Rundreise würde jede Phasenverschiebung,die bei der ersten Rundreise erzeugt würde, aufheben.

Bei dieser Betrachtung wurden natürlich viele Tatsachen übersehen· Mit nicht kohärentem Licht würde der Strahlteiler 2 nur die Hälfte des einfallenden Lichtes zum Endspiegel 3a durchlassen. Die andere Hälfte würde in Richtung auf den Photosensor 8 angelenkt, unabhängig davon ob eine Eingangswinkelgeschwindigkeit existiert oder nicht. Darüber hinaus wäre es unmöglich irgendwelche Phasenverschiebung zwischen den beiden nicht kohärenten gegenläufigen Lichtstrahlen festzustellen. Unter diesen Umständen wäre ein funktionieren des RSR Systems unmöglich.

Es muss daher vorausgesetzt werden, dass das Licht das im RSR System umläuft zu einem gevrissen Grade kohärent ist. Die Kohärenzlange muss mindestens eine Wellenlänge betragen. Nur dann kann der Strahlteiler 1 die gegenläufigen Komponenten O₁ und E₁ wiedervereinigen. Nur das wiedervereinigte kohärente Licht kann durch den Strahlteiler 2 laufen und nur dann kann 'der Strahlteiler 2 die Phasenverschiebung beseitigen. Da das Licht, das zu dem Ring zurückkehrt, nachdem die Phasenverschiebung zwischen den beiden Komponenten durch den Strahlteiler 2 entfernt wurde, wieder genauso linear polarisiert ist wie anfangs, spielt es keine Rolle in welcher Richtung die Photonen

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beim zweiten mal um den Ring laufen. Wenn eine Winkelgesehwindige kit vorhanden ist, wird jedesmal eine neue Phasenverschiebung erzeugt,, die bei jeder Rückkehr des Lichtes durch den Strahlteiler 2 entfernt wird, was zu einem entsprechenden Ausgangssignal am Photosensor führt.

Es mag erwähnt werden, dass es leicht möglich' sein würde, die Schwingungsebene der Komponenten nach jedem Umlauf zu vertauschen und sie so immer in derselben Richtung um den optischen Ring laufen zu lassen. Das könnte mit einer Viertelwellen-Platte, die zwischen den Strahlteilern 1 und 2 eingesetzt wird, erreicht werden. Aber diese zusätzliche Komplikation ist unnötig.

Zusammenfassend kann festgestellt werden, dass das RSR System auf zwei Arten arbeiten kann. Ss kann als ein RSR Laser System funktionieren,, oder- als ein System, das mit einer unabhängigen äusseren Lichtquelle jeder Art z.B. einer Glüfadenlampe,die sich ausserhalb des Ringes befindet, ausgerüstet ist. Welche LÖs-ung vorzuziehen ist _} hängt von der Anwendung ab.

Der RSR Laser hat den 'Vorteil, dass er bei kleinen Abmessungen sehr genau ist. Er ist jedoch anfälliger auf äussere Störungen wie Stoss und Vibration, weil die Licht-' weglänge im Ring immer ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein muss.

Das RSR System, das mit einer unabhängigen Lichtquelle ausgerüstet ist, ist in dieser Hinsicht nicht so

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anfällig. Solange wie das Licht um den Ring hin und zurück zum Strahlteiler 2 laufen kann, wird eine gleichgrosse Weglangenänderung der beiden Pfade nicht in besonderem Masse die Leistung beeinflussen, oder eine Nullabwanderung verursachen. Dieser Vorteil des RSR Systems mit unabhängiger Lichtquelle muss mit einer grossen umschlossenen Ringflache bezahlt werden, um Genauigkeit zu erzielen.

Grundbedingungen. .

Gewisse Bedingungen müssen allerdings erfüllt sein um zu einem genauen und zuverlässigen RSR System zu gelangen. Das trifft besonders für den RSR Laser zu. Um Lichtschwingungen zu erhalten müssen zwei Bedingungen bei jeden Laser erfüllt sein.

Erstens, wie bereits erwähnt, muss die Länge des Lichtweges ein ganzzahliges Vielfaches der Wellenlänge sein. Die Wellenlänge des Lichtes wird durch den stationären Zustand, den Stufen des afomischen Systems des Verstärkermediums bestimmt. Jedes atomische System hat spezifische Energiewerte. Immer wenn eine Emission von Energie in oder aus einem solchen atomischen System erfolgt, wird Energie zwischen diesen Stufen übertragen. Die Wellenlänge der ausgestrahlten Lichtenergie wird durch den spezifischen Energiewert dieser Stufen und durch Quantumzahlen bestimmt.

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Wenn das Verstärkermedium Helium-Neon ist, das normalerweise für Ringlaser gewählt wird, dann strahlt das System eine " Wellenlänge von 6 328 % aus.

Die zweite Bedingung verlangt, dass der Gewinn in dem Verstärkermedium gross genug sein muss um die Lichtverluste im Resonanzraum zu decken. Diese zweite Bedingung ist ganz in Übereinstimmung mit der Forderung für hohe Genauigkeit durch Vielfachumlaüf des Lichtes in dem optischen Ring. Daher» je kleiner die Lichtverluste, desto grosser ist die Genauigkeit und umso kleiner kann schliesslich die Entladungsröhre sein.

Aber bei dem Ringlaser existieren zusätzliche Bedingungen. Wie bereits festgestellt, ist die Genauigkeit beim herkömmlichen Ringlaser durch die beiden Faktoren, Lock-in und Nullabwanderung begrenzt.'

Glücklicherweise besteht beim RSR Laser das Problem des Lock-dns nicht. Die Frequenz der gegenläufigen Lichtstrahlen im optischen Ring bleibt wie erwähnt konstant. Verschiedene Frequenzen zwischen denen Lock-in eintreten könnte existieren nicht. Als Folge davon ist der RSR Laser besonders genau bei kleinen Eingangswinkelgeschwindigkeiten_f bei denen hohe Genauigkeit von besonderer Bedeutung ist. Die Genauigkeit bei kleinen Eingangsgeschwindigkeiten wird sogar noch dadurch weiter vergrossert, dass der Lichtverlust durch die vom Strahlteiler 2 ausgestrahlte Lichtenergie Null ist, wenn die Eingangsgeschwindigkeit Null ist.

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Was die Nullabwanderung durch Gasbewegung in der Entladeröhre betrifft, so ist die Lage etwas verschieden. Nullabwanderung kann in Erscheinung treten, wenn die Entladeröhre innerhalb des Ringes untergebracht ist, wie das z.B. bei dem RSR Laser der Fig. 3 der Fall ist. Bei dieser Anordnung kann das Fliessen des Gases in der Entladeröhre 5 einen Unterschied in der WeglängB zwischen den beiden gegenläufigen Lichtkomponenten verursachen und so eine Nullabwanderung hervorrufen. Die Weglänge der Lichtkomponente' in Richtung der Gasbewegung wird vergrössert und die der gegenläufigen verkleinert. Der Betrag der Nullabwanderung in dem RSR System kann daher von derselben Grossenordnung sein wie die beim herkömmlichen Schwebungsfrequenz Laser.

Die Nullabwanderung im RSR Laser kann mit denselben Methoden verhindert werden, wie sie für den Schwebungsfrequenz Laser entwickelt worden sind. Dort sind verschiegene Methoden ausgearbeitet worden, wie z.B. zwei geometrisch symmetrische Entladeröhren, die mit Gleichstrom angeregt werden und besondere Kompensationsmethoden. Aber es besteht hierbei dieselbe Situation wie bei der Kompensation des Lock-in Fehlers. Gewisse restliche Fehler bleiben bestehen, weil der ursprüngliche Fehler, der kompensiert werden muss, zu gross ist. Selbst wenn die Entladerö'hre mit Hochfrequenz anstatt mit Gleichstrom erregt wird, verbleibt ein gewisser Mittelwert der Gasbewegung, der

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niemals Null ist.

Eine andere Methode zur Verhinderung der Gasbewegung in dem RSR Laser besteht in der Anwendung eines gepulsten Solid-State Laser-Meuiumsan Stelle eines Gasmediums. wenn die Frequenz der Lichtpulse hoch genug im Vergleich zur Modulationsfrequenz ist, ist die Anwendung eines Solid-State Lasers im RSR System absolut möglich, weil der RSR Laser nicht die Stabilität verlangt, die für den Schwebungsfrequenz Ringlaser erforderlich ist. Mit einem Solid-State Laser kann eine extrem hohe Lichtintensität erreicht werden, die ein besonders grosses Ausgangssignal bei kleiner Eihgangswinkelgeschwindigkeit ergibt.

Es ist nicht erforderlich, dass das Licht der Lichtquelle bereits linear polarisiert ist, wie beim Gaslaser; der mit Brewster Fenstern ausgerüstet ist. Durch die polarisierenden Strahlteiler im RSR System erfolgt Polarisierung automatisch. Schliesslich existiert mit dem RSR Laser System ein weiterer sehr einfacher Weg, durch den die durch den Fizeau Effect verursachte Nullabwanderung völlig verhindert werden kann. Zur Erreichugn dieses Zwecks braucht die Entladeröhre 5 nur ausserhalb des Ringas angeordnet zu werden, wie das in dem System der Fig. 2 der Fall ist. Der Grund für die absolute Verhinderung von Nullabwanderung durch Gasbewegung als das Ergebnis dieser besonderen Anordnung der Entladeröhre 5, kann wie folgt erklärt werden. In der Entladeröhre, die ausserhalb des

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Ringes angeordnet ist, sind die beiden Komponenten E^ und O₁ zu einem Strahl vereinigt und pflanzen sich auf einem identischen Pfad in der gleichen Richtung durch das Verstärkermedium fort, ganz im Gegensatz zu der Situation, die in einer Entladeröhre besteht, wenn sie im Ring untergebracht ist, wo sich die beiden Komponenten in entgegengesetzter Richtung fortpflanzen. Wegen der gleichen Richtung der Komponenten E^ und CL kann die Gasbewegung im Verstärkermedium keinen Wegunterschied verursachen. Die Weglängen von beiden Komponenten vergrössern oder verkleinern sich immer um den gleichen Betrag und ^der Wegunterschied bleibt' immer Null. Dadurch ist jede Nullabwanderung durch Gasbewegung im Verstärkermedium von vornherein verhindert.

Es ist klar, dass Nullabwanderung, die durch andere Ursachen, wie innere Spannungen im Glas im Falle der Anwendung eines Solid-State-Lasers entstehen kann, auf die gleiche Art verhindert werden kann, wenn das Verstärkermedium zwischen dem Endspiegel des Resonanzraumes und dem zweiten Strahlteiler untergebrcht wird.

Es können jedoch noch andere Ursachen für eine Nullabwanderung vorhanden sein. Das zu illustrieren wird in der Fig. 7 das vereinfachte optische Schaltbild des RSR Systems mit einem viereckigen Ring gezeigt. Wenn wir in dieser optischen Schaltung die Strahlen verfolgen, indem wir am Punkt ρ am Spiegel 3a beginnen, durch den Strahlteiler 1 um den Ring und zurück zum Punkt q gehen, so finden

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wir, dass die Lichtkomponente, die im Uhrzeigersinn um den Ring läuft,sich auf einem anderen Lichtpfad fortpflanzt als die entgegengesetzt laufende Komponente. In dem viereckigen Ring sind die Lichtpfade der beiden gegensinnig laufenden Komponenten nicht identisch, wenn vom mittleren Strahl abgesehen wird. Wenn wir uns vorstellen, dass der Ringlaser Wegunterschiede von weniger als 10" X messen muss, dann ist es klar, dass das nur möglich ist, wenn die Wege der beiden gegensinnig laufenden Stahlen identisch sind·. Andernfalls werden Änderungen in den Spiegeln oder Luftturbulenz u.s.w. Nullabwanderungen des Ausgangssignals verursachen.

Wenn wir den dreieckigen Ring der Fig. 6 betrachten, dann finden wir, dass dort im Gegensatz zum viereckigen Ring, die in entgegengesetzter Richtung laufenden Komponenten sich auf identischen Pfaden fortbewegen. Der dreieckige Ring, der mit einer geraden Zahl von Spiegeln ausgerüstet ist, wenn von der Reflektion im Strahlteiler 1 abgesehen wird, ist nicht mit diesem Fehler behaftet. Es kann daher festgestellt werden, dass ein Ring, der mit einer geraden Zahl von Spiegeln ausgerüstet ist, zu einer grösseren Genauigkeit und Nullstabilität führt als ein Ring mit einer ungeraden Zahl von Spiegeln, wobei die Reflektion in dem Ringstrahlteiler nicht mitgezählt ist.

Der nachteilige Effekt einer ungeraden Zahl von Spiegeln wird noch augenscheiin&chay wenn sich die Entlade-

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röhre 5 innerhalb des Laserrings befindet, z.B. zwischen den Spiegeln ^b und ^c in Fig. ?. In diesem Fall muss der Strahlteiler 1 zwei Lichtkomponenteni die von zwei seitlich getrennten Punkten in der Entladeröhre ausgestrahlt werden, zu linear oder elliptisch polarisiertem Licht vereinigen. Dies würde eine sehr grosse seitliche Kohärenz des Lichtes voraussetzen, die kaum vorhanden ist. Nullabv/anderung oder absolutes Versagen wären das Ergebnis in diesem Falle.

Allgemein kann daher festgestellt werden, Ringanordnungen, die eine ungerade Zahl von Spiegeln enthalten, sollten vermieden werden.

Modulation.

Bisher ist nur die Frage untersucht worden, ein möglichst grosses Ausgangesignal bei kleinen Eingangswinkelgeschwindigkeiten zu erhalten. Ebenso wichtig mit Rücksicht auf die entgültige Genauigkeit ist die Frage, wie die Umwandlung der Polarisationsform am besten analysiert werden kann. In dem RSR System, das in dem genannten USP 3*692,385 beschrieben wird, wird ein herkömmlicher Polarisationsform— Analysator benutzt. Aber in dem RSR System, dass mit einem 100 % wirksamen Strahlteiler 2, wie in Fig. 2 und Fig. 3, ausgerüstet ist, sind solche herkömmlichen Analysie.rungs- methoden nicht anwendbar. Der E₂ Strahl, der von dem

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wirksamen Strahlteiler 2 auftaucht, verändert sich von Null zu einer Lichtintensität, die proportional mit dem Quadrat der Eingangswinkelgeschwindigkeit wächst und der immer linear polarisiert ist und in der gleichen Ebene schwingt. Unter diesen Umständen ist eine konventionale Analysierungsmethode nicht im Stande die durch die Eingangswinkelgeschwindigkeit hervorgebrachte Polarisationsformumwandlung festzustellen.

Zusätzlich ist das Licht, das im Photosensor 8 ankommt_ynicht moduliert . Die Helligkeit bleibt konstant, wenn die Eingangswinkelgeschwindigkeit konstant ist und eine geeignete Modulation ist hinterher nicht mehr möglich. Ein Gleichstrom würde infolgedessen in dem Photosensor 8 erzeugt, wenn das System einer konstanten Winkelgeschwindigkeit ausgesetzt ist, der sich schwer verstärken lässt und wobei grosse Fehler durch fremdes Streulicht hervorgebracht werden könnten. Am Schlimmsten von allem ist jedoch, dass der gleichgerichtete Photostrom i ,der nach der Glei-

'2 ■

chung 7 proportional von CO ist, immer in derselben Richtung fliesst, unabhängig von der Richtung der Eingangswinkelgeschwindigkeit. Dadurch geht die Richtung der Eingangswinkelgeschwindigkeit im Ausgangssignal verloren.

Um den E₂ Strahl, der aus dem 100 % wirksamen Strahlteiler 2 auftauchtj zu modulieren, muss die Polarisationsform des Lichtes moduliert werden·bevor es in den Strahlteiler 2 einfällt. Diese Modulation kann hervorgebracht werden durch periodische Veränderung des Weg-

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MO

Unterschiedes der beiden gegensinnigen Lichtkomponenten im optischen Kreis. Ein Unterschied in der Weglänge dieser beiden Lichtstrahlen kann auf verschiedene Arten erzeugt werden, sowohl mechanisch als elektrisch.

Die einfachste Methode besteht in mechanischer Vibration, Dithering. Für diesen Zweck wird der gesamte optische Teil des RSR Systems einer Drehschwingung ausgesetzt. Die Fig. 3 illustriert eine derartige "Dithering"-Anordnung. Die optische Schaltung des RSR Systems ist auf einen Rahmen 11 aufgebaut, der eine kleine Winkelfreiheit um den Zapfen 12 besitzt. Die Drehschwingung wird durch den Vibrator 10 hervorgebracht, der in diesem Fall nichts anderes ist als eine herkömmliche Erregereinrichtung eines normalen Lautsprechersystems. Der Erreger besteht aus dem Weicheisentopf 10a in dessen Mitte der Permanentmagnet N-S installiert ist. Die Spule 10b kann sich in dem Luftspalt zwischen dem Topf und dem Permanentmagneten hin und her bewegen. Wenn die Spule 10b durch Wechselstrom vom Wechselstromgenerator 13 her erregt wird, wird sie den Topf 10a periodisch hin und her bewegen und so den Rahmen 11 zu Drehschwingungen anregen. Die Frequenz der Drehschwingungen kann in der Grössenordnung von 20 bis 50 Hz. liegen.

Eine grosse Anzahl von anderen Methoden für Dithering sind entwickelt worden, die von Piezo-elektrischen oder anderen Effekten Gebrauch machen und die hier ebensogut angewandt werden könnten. Die Amplitude des

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Drehwinkels beim Dithering kann sehr klein sein, kleiner als eine Bogensekunde. Der Abstand um den sich die Spule 10b in dem Luftspalt in dem magnetischen Topf 10a hin und her bewegt, liegt dadurch in der Grossenordnung eines Mikrons. Die Stabilitätsforderungen für das Dithering in dem RSR System mit Rücksicht auf Ausschlag und Frequenz sind nicht kritisch, ganz im Gegensatz zum herkömmlichen Schwingungsfrequenz Laserkreisel wo Dithering als ein Mittel zum Ausschalten des Lock-in Fehlers gebraucht wird.

Eine elektrische Modulationsmethode wird in der Fig. 2 illustriert, wo die Faraday Zelle 9 gebraucht wird. Die Faraday Zelle 9 besteht aus dem Glaskörper 9a, der sich in der das magnetische.' Feld erzeugenden Spule 9b befindet. Die Richtung des Feldes liegt parallel zur Lichtstrahlrichtung. Das Licht, das durch den Glaskörper 9a geht, ist elliptisch polarisiert. Nur elliptisch und nicht zirkulär polarisiertes Licht ist notwendig in diesem Falle wegen der erforderlichen kleinen Wegdifferenz, Die elliptische Polarisation wird durch die Viertelwellen-Platten 9c und 9d» die sich auf beiden Seiten des Glaskörpers 9a befinden, erzeugt. Die optischen Achsen der Viertelwellen-Platten sind, wie durch die mit zwei Spitzen versehenen Pfeile angedeutet, nur um einen kleinen Winkel gegen die Schwingungsebene der linear polarisierten Lichtstrahlen im Ring verdreht. Die elliptisch gestalteten Pfeile zwischen dem Glaskörper 9a und den Viertelwellen-

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Ml

Platten 9c und 9d zeigen den Drehsinn der elliptischen Polarisation, der sich gegensinnig fortpflanzenden Lichtkomponenten an.

Die Spule 9b der Faraday Zelle wird von dem Generator 13 mit Wechselstrom gespeist. Der Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Wechselfeld entlang der Lichtstrahlachse im Glaskörper 9a. Durch den Faraday Effekt wird der Glaskörper 9a optisch aktiv und die Weglänge des Lichtstrahles, der sich in der einen Richtung fortpflanzt, wird vergrbssert und derjenige des in der entgegengesetzten •Richtung laufenden Strahles verkleinert. V/enn sich die Richtung des magnetischen Feldes umkehrt, kehrt sich auch die Weglänge der Strahlen um. Dadurch schwankt die Wegdifferenz der gegensinnigen Strahlen mit der Frequenz des anliegenden Wechselstroms. Dies verursacht einen wechselnden Phasenwinkel Ö «, zwischen den beiden Strahlen^ in genau derselben Weise^wie beim mechanischen Dithering.

Das Prinzip der Modulation, die durch Dithering oder elektrische Mittel erreicht wird, ist in den Diagrammen der Fig. 8a-f illustriert, in denen die Eingangswinkelgeschwindigkeit CO _t die Modulationswinkelgeschwindigkeit CO und der Photostrom i als eine Funktion der Zeit t aufgetragen sind. Mit Rücksicht auf Einfachheit wurde in den Diagrammen angenommen, dass die Bewegung des Dithering,oder der entsprechende Erregerstrom in der Spule der Faraday ZeIIe^ eine rechteckige Form haben. Normalerweise

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sind sie sinusförmig, Unabhängig davon ob sie rechteckig oder sinusförmig sind, wird das Endresultat immer dasselbe sein, nur dass mit einer rechteckigen Form eine zweite Harmonische hervorgebracht wird, die jedoch auto« matisch aus dem Photostrom durch die darauffolgende Verstärkerschaltung herausgefiltert wird. Deshalb kann von Beginn die zweite Harmonische in diesen Betrachtungen unbeachtet bleiben.

Das Diagramm 8a zeigt die Modulationswinkelgeschwindigkeit CO _M,die durch das Dithering oder die Faraday Zelle erzeugt wird als eine Funktion der Zeit t. Der sich daraus ergebende Photostrom i ist in dem Diagramm 8b aufgetragen. In beiden Diagrammen 8a nnä 8b wurde die Annahme gemacht, dass die Eingangswinke!geschwindigkeit CO_n gleich Null ist.

Trotz der wechselnden Modulationswinkelgeschwindigkeit CO ist der sich ergebende Photostrorn i ein Gleichstrom von konstanter Grosse (Fig. 8b). Das ist so, wie bereits erwähnt, weil die Lichtintensität auf die der Photosensor reagiert proportional dem Quadrat der Amplitude des Lichtes ist, wie die Gleichung 7 zeigt.

Wenn das RSR Laser System einer zusätzlichen konstanten Eingangswinkelgeschwindigkeit CO _ ausgesetzt wird, der die Modulationsgeschwindigkeit cü überlagert ist,

dann wird ein Photostrom i in dem Photosensor 8 erzeugt, der in seiner Grosse schwankt. Ein Wechselstrom i_p~ ,

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der mit der Frequenz der Modualtion oscillitrt, ist einem gleichgerichteten Photostrom i überlagert. Die Amplitude des Wechselstroms i_^vergrössert sich proportional mit der Eingangswinkelgeschwindigkeit ^₀*

Das ist in den Diagrammen 8c und 8d illustriert. Wenn £*> _M, positiv ist, dann ergibt sich zusammen mit CO ₀ eine gesamt Winkelgeschwindigkeit ^₀ ^{+ c}-^m· Wenn cö negativ ist, dann wird die gesamte Eirigangnwinkelgeschwin-

digkeit LO _Q - CO . Das Ergebnis davon ist der Photostrom i_ (Fig. 8d), der zwischen den Werten i : = ρ ρ max

*= K₀ ( Oj ₀ + CO _M)² und i_{p min} = K₀ ( CO_Q - Co_n )² schwankt, wobei K₀ eine Konstante ist. Wie mit einfacher Mathematik gezeigt werden kann, ergibt sich ein Wechselstrom mit dem Maximalu'nterschied von i = h K_n ν O _m, nQ _n. der

ρ ^j O M ^v-^ O^f _;

zwischen den beiden Stromwerten i _,_„ und i

ρ max ρ min

schwankt und einem Gleichstrom i überlagert ist.

Wenn die Eingangswinkelgeschwindigkeit OJ _Q negativ ist, wie in der Fig. 8e gezeigt wird, wird ein überlagerter Wechsel-.Photostrom i von derselben Grosse wie vorher in dem Photosensor erzeugt. Wenn dieser Fhotestrom (Fig. 8f) mit dem gleichgrossen Photostrom der Fig. £\*.ier bei positiver Eingangswinkelgeschwindigkeit CO _Q entsteht, verglichen wird, dann zeigt sich eine Phasenverschiebung von 180°. "^: · » Nur der Wechsel-Photostrom i-^ wir-i in dem Wechselstromverstärker I^ verstärkt (Fig. 2 -..TjS Fig. 3) · Dadurch wird die Gleichstromkomponente autc^i^isch ausgeschieden.

BAO

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Der vom Verstärker 14 gelieferte Wechselstrom wird im Gleichrichter 15 phasenempfindlich gleichgerichtet, was · einen Gleichstrom ergibt, dessen Grosse und Richtung proportional der Eingangswinkelgeschwindigkeit CO _Q ist. Dieser Gleichstrom wird von dem Anzeigeinstrument 16 gemessen. Die oben offenbarte Analysierungsanordnung, die besonders für das RSR System entworfen wurde, ist einfach und genau. Der reflektierende Polarisator 2 dient gleizeitig als Strahlteiler und als Analysator· Die Anordnung dieser Erfindung erfordert daher viel weniger Einzelteile als die Analysierungsvorrichtung, die für den Drehempfindlichen-Polarisations-Wandler des oben angeführten älteren Patentes gezeigt wurde. Das führt zur gleichen Zeit zu einer vereinfachten Installation und Justierung. Die Modulationsfrequenz und Amplitude' brauchen nicht sehr konstant zu sein, wie vorher bereits erwähnt wurde. Langsame Abwanderung verursachen weder Fehler noch Nullschwankung. Die erhöhte Genauigkeit wird besondere dadurch erlangt, dass nur das Signallicht in dem Strahlteiler 2 zum Photosensor 8 abgelenkt wird. Das gesamte übrigbleibende ursprüngliche Licht bleibt jedoch erhalten und wird wieder in den Ring zurückgeworfen.

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Ausgleich.

Voraussetzung fur das Erreichen von Vielfach-Lichtumlauf und einem sich daraus ergebenden trossen Ausgangs signal bei klei.nen Eingangswinkelgeschwindigkeiten, ist die Verminderung der Lichtverluste. Die Lichtverluste des RSR Systems sind am kleinsten, -je kleiner die Eingangswinkelgeschwindigkeit, wie bereüfcs ausgeführt wurde Durch den Verlust von mehr Lichtenergie fällt die Genauigkeit mit grosser werdender Eingangswinkelgeschwindigkeit ab. Ein Weg die Lichtverluste klein zu halten besteht daher darin, die wirksame Eingangswinkelgeschwindigkeit klein zu halten.

Die wirksame Eingangswinkelgeschwindigkeit kann dauernd sehr klein gehalten werden durch die Verwendung eines Ausgleichs oder einer negativen Rückkopplung« Negative Rückkopplung ist besonders vorteilhaft für das RSR System wegen seiner Eigenheit, am genauesten bei kleinen Eingangs v/er ten zu arbeiten.

Negative Rückkopplung kann beim RSR System auf mechanischem oder elektrischem Wege verwirklicht werden. In Pig. 9 wird ein RSR System mit mechanischer Rückkopplung gezeigt. Modulation wird durch Dithering erreicht. Das RSR System der Fig. 9 liefert unmittelbar den Abwanderungswinkel, der das Integral der Eingangswinkelgeschwindigkeit tu . ist. Es erfordert keinen besonderen

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Integrator· Dadurch wird der Abwanderungswinkel, der in vielen Anwendungen des RSR Systems von besonderem Interesse ist, mit überlegener Genauigkeit erhalten. Darüber hinaus sind viele Fehlerquellen von vornherein vermieden, nicht nur diejenigen, die mit dem Integrationsprozess zusammenhängen, sondern auch jene, die durch die Lichtverluste durch zusätzliche optische Elemente verursacht werden».die im andern Falle im optischen Ring für Zwecke wie Modulation erforderlich sind.

Die optische Schaltung der Fig. 9 ähnelt der der Fig. 3· Der optische Ring ist mit den Eckspiegeln 4a, 4b , 4c und 4d und dem Strahlteiler 1 ausgerüstet. Der Strahlteiler 2 lenkt das Signallicht E~ zum Photosensor 8 ab.

Der Endspiegel 3& wirft das Licht, das durch den Strahlteiler 2 passiert in den Ring zurück. Die Lichtenergie wird durch die Entladeröhre 5 geliefert, die sich zwischen den Ringspiegeln 4c und 4d befindet. Die Halbwellen-Platte tauscht wie vorher die Schwingungsebenen der gegensinnig laufenden. Lichtkomponenten im Ring ausi Die Schwingungsebenen des Lichtes sind wieder durch drei Querstriche und durch das Diagramm 6 zwischen dem Strahlteiler 1 und 2 angedeutet.

Die optische Schaltung des RSR Systems ist in der Trommel 17» die sich um den Zapfen 19 drehen kann eingebaut. Die Trommel 17» die in der Fig. 9 aufgeschnitten ist,um die optische Schaltung zu zeigen, ist mit dem

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Getriebering 18 versehen, in den das mit dem Steuermotor 19 verbundene Ritzel 19a eingreift,

Der Motor 19 hat zwei Aufgaben. Er dient als Steuermotor, der dauernd die Trommel 17 entgegengesetzt zur Eingangswinkelgeschwindigkeit Oj ₀, der das gesamte RSR System im inertialen Raum ausgesetzt ist, dreht. Auf diese Weise wird der wirksame Winkelgeschwindigkeitsanteil, der auf die optische Schaltung in der Trommel 17 einwirkt auf Null"reduziert. Zur selben Zeit liefert der Motor 19 das Dithering«

Um das Dithering zu erzeugen, ist' der Motor 19 über den Nachlaufverstärker 20 mit dem Wechselstromgenerator I3 verbunden. Dadurch vibriert der Motor I9 mit der vom Generator I3 gelieferten Frequenz.

Um die Winkelgeschwindigkeit der Trommel 17 um den Zapfen 12 immer auf Null zurückzuführen, wird der Motor 19 durch den Photosensor 8 über den Vorverstärker 14, den phasenempfindlichen Gleichrichter I5 und den Servo-Verstärker 20 kontrolliert. Dadurch arbeitet der Motor 19 wie ein Nachlaufmotor, der immer den Photostrom i-_OfXJ zusammen mit der Winkelgeschwindigkeit der Trommel I7 um den Zapfen 12 -auf Null halten will.

Die Anordnung der Fig. 9 arbeitet sehr genau. Der maximale Photostrom und damit gleichzeitig die Phasenverschiebung zwischen den gegensinnig laufenden Lichtkomponenten im Ring bleiben immer sehr klein. Dadurch kann auch

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die Amplitude des Dithering sehr klein gehalten werden. Das System liefert unmittelbar den Abwanderungswinkel»· der direkt an dem Zahnring 18 abgenommen werden kann. Da kein zusätzlicher Integrator notwendig ist, sind alle dem Integrationsprozess anhaftenden Fehler von vornherein vermieden.

Die Ausgleichsanordnung der Fig. 9 gleicht in hohem Masse einer Einkreisel Plattform, die mit einem Schwungradkreisel ausgerüstet ist. Die Anordnung ist jedoch einfacher im Aufbau und besitzt keine schnell umlaufenden Massen. Zusätzlich ist das RSR System wegen dem Nichtvorhandensein von grossen Drehmomenten, die bei der mit Schwungrad-Kreisel ausgerüsteten Plattform durch Drehbewegungen um Achsen senkrecht zur Uessachse hervorgerufen werden, überlegen. Dadurch das3 diese Drehmomente beim Schwungrad-Kreisel kompensiert werden müssen, müssen andere Teile und damit die gesamte Plattform stärker ausgeführt werden.

Es ist natürlich möglich auch eine zwei oder drei-Kreisel-Plattform mit RSR Systemen auszurüsten. Auch in diesem Falle wird vergrösserte Genauigkeit erreicht.

Eine elektrische Rückkopplungs-Anordnung wird in der Fig. 10 gezeigt. Die optische Schaltung dieser Anordnung ist ähnlich derjenigen der Fig. 2 und 3. Da die optischen Elemente in Fig. 10 mit den gleichen Zahlen wie in den vorhergehenden optischen Schaltungen markiert sind,

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SO

erübrigt sich eine Einzelbeschreibung der optischen Schaltung der Fig. 10. Das System der Fig. 10 unterscheidet sich von demjenigen der Fig. 2 nur durch die Faraday Zelle 9, die mit zwei Erregerspulen ausgerüstet ist, der Spule 9b für die Modulation und der Kompensationsspule 9e für die elektrische Rückkopplung. Die Modulationsspule 9b wird ebenso wie in Fig. 2 mit Wechselstrom vom Generator 13 gespeist'. Die Kompensationsspule 9e wird mit dem Rückkopplungsstrom, der durch den Photosensor 8 über den Vorverstärker 14 und den Gleichrichter 15 kontrolliert wird, gespeist. Das magnetische Feld, das durch den Strom der Spule 9e erzeugt wird, gleicht den Phasenverschiebungswinkel (j aus, der durch die Eingangswinkelgeschwindigkeit hervorgerufen wurde, und führt dadurch wieder den

Photostrom i auf Null zurück.
P

Das elektrisch kompensierte RSR System hat gegenüber dem mechanisch kompensierten den Vorteil, dass es keine mechanisch beweglichen Teile besitzt. Es hat jedoch den Nachteil,weniger genau zu sein. Ein zusätzlicher Integrator 21 ist erforderlich, um den Abwanderungswinkel zu erhalten. Der Kompensationsstrom, dessen Zeitintegral den Abwanderungsv/inkel darstellt, muss sich über ein weites Bereich linear vergrössern· Das ist aber nur,wegen der Kennlinie der Faraday Zelle;bis zu einem gewissen Grade möglich. In dem Integrätionsprozess werden alle diese Linearitätsfehler und andere mit der Zeit multipliziert.

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Die Genauigkeit der Integration kann durch Digitalisierung, anstatt der Anwendung eines analogen Kompensationsstroms,verbessert werden· Die Digitalanordnung ist in der Fig» 12 illustriert, wo die Kompensationsspule 9e der Faraday Zelle 9 mit einer Kette von Pulsen gespeist wird.

Die Strompulse haben konstante Amplitude, konstante Weite und konstante Frequenz. Sie werden im Pulsgenerator 23 erzeugt. Die Polarität der Pulse wird in der Ausgleichschaltung Zk durch den Ausgangsstrom vom Gleichrichter 15 kontrolliert. Der fortlaufende Ausgangsstrom des Gleichrichters 15 wird, wie in den vorher beschriebenen H ί hai tungen, durch den Photosensor 8 kontrolliert. Auf diese Weise wird die Polarität der Pulse eine Punktion der Winkelgeschv/indigkeit <-O , der das System ausgesetzt ist.

Wenn die Winkelgeschwindigkeit CO ₀ Null ist, werden von der Spule 9e wechselnd positive und negative Pulse empfangen. Wenn aber eine Winkelgeschwindigkeit tu _Q vorhanden ist, steuert der Ausgleichsstrqm des Gleichrichters 15 den Ausgangsstrom der Pulsausgleichsschaltung Zk derart, dass die Polarisation der kompensierenden Pulse genügend geändert wird, um jeden PhasenwinkelQj auszugleichen, der durch die Eingangswinkelgeschwindigkeit CO zwischen den gegenläufigen Lichtstrahlen im Ring verursacht wurde.

Die Geschwindigkeitszuwachs-Schalturtg 25, die ausserhalb des Pulsausgleichkreises liegt, wird mit einem

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Ausgangspuls Λ^-0 ^ immer dann versorgt, wenn ein umgekehrter Strompuls an der Spule 9e erscheint. Die Ausgangsgeschwindigkeit von Pulsen ist so proportional der Eingangswinkelgeschwindigkeit CO q, wobei jeder Puls einen Zuwachs Λ G) der Winkelgeschwindigkeit CO _Q darstellt. Die Anzahl der Pulse, die leicht in einem Digitalrechner aufgespeichert werden können, ist dann .das Integral von Cu und stellt den Abwanderungswinkel O^ dar.

Die Grosse der Kompensationspulse braucht nicht sehr die Empfindlichkeitsschwelle des RSR Systems zu überschreiten. Die verlorene Lichtenergie bleibt so immer sehr klein. Die Puls- und die Modulationsfrequenz können gleich oder verschieden sein.

Wenn die Eingangswinkelgeschwindigkeit 00 » Null ist, wird nur ein gleichgerichteter Photostrom i_p durch die abwechselnd positiv und negativen Pulse erzeugt. Es besteht dann eine ähnliche Situation, wie bei den Kodualtionspulsen, die in Fig. 8a und 8b gezeigt sind.

Viele Abwandlungen des digitalen Ausgleichs sind möglich. Der Modulationsstrom und der Pulsstrom können elektrisch einander überlagert sein und der kombinierte Strom könnte eine einzige Spule der Faraday Zelle 9 speisen. Oder die Ausgleichspulse könnten gleichzeitig zur Modulation dienen. Es ware auch möglich Dithering mit digitaler Kompensation zu kombinieren . Schliesslich konnten eine grosse Mannigfaltigkeit von Ausgleichsschaltungen, die in

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anderen Gebieten, wie bei den mit Pulsen ausgeglichenen Beschleunigungsmessern, angewandt werden.

Obgleich die Geanuigkeit, die mit digitalem Ausgleich erreicht werden kann, besser sein mag als analoge Rückkopplung, ist der mechanische Ausgleich, wie ihn die Fig. 9 zeigt, überlegen· Beim elektrischen Ausgleich können zusätzliche Fehler durch Änderungen in den optischen Eigenschaften des Glaskörpers der Faraday Zelle, durch Spannungs- und Temperaturschwankungen u.s.w. hervorgerufen werden.

Lichtverluste im optischen Ring.

Die abgegebene Signalenergie stellt nur eine der Quellen für Licht verlust dar. Vie'l Licht geht im Ring durch Teilreflektion an den optischen Elementen wie den Halb- oder Viertelwellen-Platten, dem Strahlteiler und in der Reflektion an den Spiegeln verloren. Diese Verluste kb'nnen durch verschiedene Methoden verkleinert werden, wie z.B. "coating¹¹.

Ein anderer Weg Lichtverluste zu vermeiden ist in der Fig. 12 gezeigt, in der sich das Licht auf seinem Weg um den Ring immer in einem Medium konstanter optischer Dichte fortpflanzt. Die Ablenkung an den Ecken des Ringes wird durch totale innere Reflektion und der Austausch der Schwingungsebenen durch geometrische Mittel bewerkstelligt«

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Die Fig. 11 zeigt einen optischen Ring in dem der Austausch der Schwiiigungsebenen der gegenläufigen Lichtstrahlen ohne die Anwendung einer Halbwellen-Platte bewerkstelligt wird. Der Ring ist dreieckig und enthält den Strahlteiler 1 und die Eckspiegel ^a und 4b. pie anderen optischen Elemente wie der analysierende Strahlteiler, die Lichtquelle und der Modulator sind fortgelasssen.

Der Strahlteiler besteht wie vorher aus den beiden Glasprismen la und Ib, die durch die dünne doppelbrechende Platte Ic voneinander getrennt sind. Das Prisma Ib ist derart verändert, dass die Eingangsfläche für den E₁ Strahl um den Brewster Winkel geneigt liegt. Auf diese Weise sind Teilreflektionen und Lichtverluste verhindert. Zur gleichen Zeit wird der E^ Strahl so uni einen Y/inkel abgelenkt, wie das die Fig. 11 zeigt.

Die Art und Weise wie der Austausch der Schwingungsebenen der gegenläufigen Strahlen durch die geometrische Anordnungerreicht wird,- kann am besten durch Verfolgen der Strahlen im Ring festgestellt werden. Die Schwingungsebene der Strahlen an den verschiedenen Punkten ist in der Fig. durch kleine Pfeile, Lichtvektoren, quer zu der Strahlrichtung angedeutet.Wenn wir an dem Vektordiagramm 6 mit dem Lichtvektor des Strahls O^ beginnen und der O^ Strahl um den Ring verfolgen, dann finden wir, dass die Schwingungs-

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ebene um den Winkel von 90° gedreht ist₉ wenn das Licht an der Oberfläche E. des Prismas Ib wieder einfällt« Das zurückkehrende Licht des O₁ Strahls wird in der Ebene des E₁ Strahls schwingen, wenn es zu dem Ausgangspunkt 6 surückkehrt.

Dasselbe Resultat ergibt sich, wenn der E₁ Strahl in der entgegengesetzten Richtung verfolgt wird. Der E₁ Strahl kehrt zu dem Ausgangspunkt 6 in der Ebene des O₁ Strahls zurück.

In der optischen Schaltung der Fig, Il können Lichtverluste durch teilweise Ref^Lektion noch an der Einfallsoberfläche des Prismas la und kleine zusätzliche Verluste an den Oberflächen der Spiegel 4a und kh auftreten, In dem Ring, der mit der Faraday Zelle ausgerüstet ist, die viele zusätzliche teilweise reflektierende Oberflächen aufweist, können, wie sich in Fig. 10 feststellen lässt^weitere Lichtverluste entstehen.

Die optische Schaltung der Fig. 12 illustriert; wie derartige Lichtverluste durch Teilreflektion vermieden werden können, indem das Licht auf-seinem Pfad in dem Ring immer in einem Medium gleicher optischer Dichte fortschreitet. In diesem Falle kann also die Faraday Zelle 9 eingeschlossen werden,· wobei allerdings die Viertelwellen-Platten durch Fresnell Rhomben ersetzt worden sind.

In Fig. 12 ist die Entladeröhre 5 ausserhalb des Ringes zwischen dem Endspiegel 3a und dem analysierenden

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Strahlteiler 2 untergebracht. Der Strahlteiler 2 und der Strahlteiler 1 im optischen Ring werden durch optischen Zement Von gleichem Brechungsindex zusammengehalten. Der Ring als .solcher besteht aus zusammenzementierten Glas» prismen, deren Glas gleichen Brechungsindex_;n_G1 = n_, besitzt. Auf diese Weise ist Teilreflektion im Ring vermieden. Da das Licht an den Ecken des Ringes durch totale innere Reflektion abgelenkt wird, erfolgt auch hierdurch kein Lichtverlust. Der Austausch der Schwingungsebenen kann am Einfachsten durch Verfolgen der Strahlen festgestellt werden. Wenn wir den 0 Strahl verfolgen, indem wir vom Vektordiagramm 6 ausgehen, durch das Prisma 1 und die Faraday Zelle 9i die Glasprismen 26 bis 30, dann finden wir, dass das Licht das am Prisma Ib des Strahlteilers ankommt,in der Ebene des E₁ Strahles, schwingt. Die Schwingungsebene ist wieder an den verschiedenen Punkten des Lichtstrahles, insbesondere an den inneren reflektierenden Oberflächen der Prismen, durch kleine Vektoren quer zur Lichtstrahlrichtung markiert.

Die Faraday Zelle 9» die mit des Fresnel Rhomben 9c¹ und 9d% anstatt mit Viertelwellen-Platten_;ausgerüstet ist, funktioniert in der gleichen Weise^wie bereits erläutert. Die Fresnel Rhomben wandeln das linear polarisierte Licht in zirkulär polarisiertes Licht durch innere Reflektion um. Die Umwandlung ereignet sich^weil die Schwingungsebene des einfallenden linear polarisierten

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Lichtes um einen Winkel von k>5 gegen die Einfallsebene der total reflektierenden Oberfläche in den Fresnel Rhomben 9c' und 9d* gedreht liegt. Durch den Azimutwinkel von 45 wird das einfallende linear polarisierte Licht in zwei Komponenten aufgespalten und eine Phasenverschiebung zwischen beiden verursacht. Als Folge davon ist das Licht im Glaskörper 9a der Faraday Zelle 9 zirkulär oder elliptisch polarisiert, wie durch die elliptisch gestalteten Pfeile in dem Glaskörper 9a angedeutet wird. Da das Fresnel Rhombus 9c^f gegen den Rhombus 9d* um 90° verdreht steht, taucht das Licht aus der Faraday Zelle wieder linear polarisiert auf#

Ein sehr viel einfacherer optischer Ring von gleichbleibender optischer Dichteist möglich, wenn die Modulation durch Dithering erfolgt, und eine mechanische Rückkopplung angewandt wird.

Um teilweise Reflektion an der einzigen noch vorhandenen Oberfläche in der optischen Schaltung der Fig. zu vermeiden, nämlich der Oberfläche.die die Einfallsfläche des Strahlteilers 2 anschliessend zu der Entladeröhre 5 ist, kann diese Einfallsfläche entweder einen optischen Überzug erhalten oder so einjustiert werden, dass sie sich an einem Knotenpunkt der Lichtschwingung befindet, oder sie konnte auch um den Brewster Winkel geneigt sein.

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Claims (1)

1. ι/

   Ein Drehempfindliches-Rotations-Wandler System bestehend aus!

   Mitteln zur Schaffung eines Lichtstrahls,

   einem ersten polarisierenden Strahlteiler zur Aufspaltung des besagten Strahls in zwei senkrecht zueinander stehende linear polarisierte Komponenten, bestehend aus einem ordentlichen und einem ausserordentlichen Strahl und zur Wiedervereinigung der besagten Komponenten,

   einer "Mehrzahl von Mitteln,die reflektierende Oberflächen darstellen, die so aufgestellt sind, dass sie einen optischen Ring ergeben, der geschlossene identische Pfade für die besagten sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Lichtkomponenten definiert_t

   dem besagten ersten Strahlteilei? der in besagten Pfaden angeordnet ist,

   Mitteln in den besagten Pfaden zum Ändern der Polarisationsebenen der austretenden senkrecht zueinander liegenden Komponenten um 90° zwecks Wiedervereinigung,

   einem zweiten polarisierenden Strahlteiler, der ausserhalb der geschlossenen Pfade angeordnet ist zum Durchlassen jenes Teils des wiedervereinigten Lichtes, das in der ursprünglichen Ebene der Null-Eingangswinkelgeschwindigkeit schwingt, der aber das Licht herrührend von der Eingangswinkelgeschwindigkeitj das in der senkrecht

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   dazu liegenden Ebene schwingt nach aussen lenkt,

   der Durchgangsachse des einen der besagten Strahlteiler, die um einen Winkel von 45° gegen die Durchgangsachse des anderen Strahlteilers verdreht liegt,

   Mitteln zur. Modulation der Polarisationsform des wiedervereinigten Lichtes, das zum zweiten Strahlteiler hin durchgeht.

   Die Anordnung gemä'ss dem Anspruch 1, wonach der besagte optische Ring als Resonan^zraum eines Lasers benutzt wird, und der besagte zweite Strahlteiler nach aussen hin all das Licht ablenkt, das in einer Ebene senkrecht zur ursprünglichen Laserschwingung_;bei der Eingangswinkelgeschwindigkeit NuIl^ schwingt.

   Die Anordnung gemäss Anspruch 1 und 2, wonach die besagten modulierenden Mittel, Mittel für die Modulierung der Lichtpfadlänge in dem optischen Ring umfassen.

   Die Anordnung gemäss der Ansprüche 1 - 3t wonach die besagten modulierenden Mittel, Dithering Mittel umfassen, zum Zweckjdie gesamte optische Schaltung in Drehschwingung zu versetzen.

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   5.

   Die Anordnung gemäss der Ansprüche 1-3, wonach die besagten modulierenden Mittel elektro-optische Mittel für die Modulation des Lichtstrahls umfassen.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1-5» wonach die besagten Mittel zur Änderung der Polarisationsebene der auftretenden rechtwinklig zueinander stehenden Komponenten eine Halbwellen-Platte umfassen.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1-5» wonach die besagten Mittel zur Änderung der Polarisationsebene der austretenden senkrecht zueinander stehenden Komponenten senkrecht zueinander stehende reflektierende Oberflächen umfassen.

   8.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1-7» die negative Rückkopplungsmittel zwischen dem Ausgang von dem besagten zweiten polarisierenden Strahlteiler zur Kompensation der Eingangswinkelgeschwindigkeit einschliessen.

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   9.

   Die Anordnung gemass Anspruch 8, wonach die zuletzt erwähnten Mittel einen Servo Motor umfassen, der geeignet ist eine Rückkopplungsdrehung für das optische System zu liefern.

   10.

   Die Anordnung gemäss Anspruch 8, wonach die "besagten negativen Ruckkopplungsmittel aus elektro-optischen Mitteln für den Ausgleich bestehen.

   11.

   Die Anordnung gemäss Anspruch 10 wobei der Rückkopplungsstrom aus Pulsen besteht,um digitale Ausgangswerte zu erhalten.

   12.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1 - 11, wonach die besagten Mittel, die die reflektierenden Oberflachen darstellen,eine grade Zahl von reflektierenden Oberflächen in dem besagten in sich geschlossenen optischen Pfad vorsehen.

   13.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1-12, worin der besagte Laser aus einem Gaslaser besteht.

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   14.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1 - 12, wonach der besagte Laser aus einem Solid-State Laser. besteht.

   15.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1 - 14, wonach die den Laserstrahl bildenden Mittel ein Verstärkermedium umfassen, das ausserhalb des geschlossenen optischen Pfades aufgestellt ist, in dem der Strahl durch den besagten zweiten polarisierenden Strahlteiler in den besagten geschlossenen Pfad geleitet wird.

   16.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1-14, wonach die den besagten Laser ergebenden Mittel ein Verstärkermedium umfassen, dass innerhalb des optischen Ringes untergebracht ist.

   17.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1-16, wonach der zweite Strahlteiler das Licht, das in der senkrecht liegenden Ebene schwingt nach aussen abgelenkt, wodurch die Schwingungsfrequenz der beiden gegenläufigen Lichtkomponenten im optischen Ring, unabhängig von der Eingangswinkelgeschwindigkeit," konstant gehalten wird,

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   und die Lichtintensität des Ausgangssignals zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit benutzt wird, wodurch Lock-in vermieden ist.

   18.

   Die Anordnung gemäss jedem der Ansprüche 1 - 17» wonach der Resonanzraum nur einen Endreflektor "besitzt und das Verstärkermedium in dem wiedervereinigten Strahl ausserhalb des optischen Ringes zwischen dem Endreflektor des Resonanzraumes und dem zweiten Strahlteiler,zwecks Ausschaltung der Nullabwanderung, die durch den Gasfluss oder andere Effekte verursacht wird, untergebracht ist.

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