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Ringlaser Die Erfindung bezieht sich auf Ringlaser und insbesondere
auf magnetische Vorspannspiegel für Ringlaser von der Art, die den quermagnetooptischen
Kerr-Effekt ausnutzt, und derartigen Einrichtungen eigene nichtreziproke Verluste
aufzuheben oder zu be seitigen.
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Der Ringlaser ist eine Einrichtung die als Änderungsgeschwindigkeits=X(reiselgerät
arbeiten kann. Bei der derzeitigen Stufe der Entwicklung der Ringlaser-Technologie
ist es allgemein gut bekannt, claß die sich in dem Ring ausbreitenden zwei Laser
strahlen die Neigung aufweisen, für kleine Drehgeschwindigkeiten bei der gleichen
optischen Frequenz einzurasten, wodurch sich ein Verlust der Drehgeschwindigkeitsinformation
ergibt, die üblicher weise durch Feststellung der Überlagerungsfrequenz zwischen
den
Strahlen gewonnen wird. Weiterhin ist die Überlagerungsfrequezinformation
für einen bestimmten endlichen Bereich oberhalb des Einrastpunktes nicht linear
auf die Drehgeschwindigkeit bezogen-und stellt daher nicht genau die Drehgeschwindigkeit
dar, bis die obere Grenze dieses nichtlinearen iWereiches überschritten wird.
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Es wurden verschiedene Vorspanntechniken entwickelt, um den in entegegengesetzten
Richtungen laufenden Strahlen eine nichtrezlproke Phasenverschiebung zu erteilen9
um eine Einrastung zu vermeiden.
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Die Vorspannwirkung bewirkt daß jeder der Strahlen mit einer diskreten
Frequenz schwingt, die ausreichend von dem Einrastpunkt entfern'. ist, so daß eine
vorgegebene Frequenzaufspaltung zwischen den Strahlen selbst bei Fehlen einer Drehung
vorhanden ist, wodurch weiterhin der Vorteil erzielt wird, daß die Drehrichtung
in einfacher Weise dadurch bestimmt werden kann, daß fest gestellt wird ob die Überlagerungs-
oder Schwebungsfrequenz gegenüber der normalen Vorspannfrequenz anwächst oder absinkt,
wenn sich der Ring dreht.
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Einer der neuerdings vorgeschlagenen Vorspannmechanismen umfaßt einen
magnetisch beschichteten Spiegel, der die Doppel funktion der Erzielung der gewünschten
nichtreziproken Phasen verschiebung und der Bildung einer Ecke des optischen Hohlraumes
des Ringlasers erfüIlt. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der US-Patentschrift
... (US-Patentanmeliung 714 891) beschrieben. Wie es in dieser Patentschrift erläutert
ist, schließt der Vorspannspiegel dünne magnetische und dielektrische Schichten
ein, die auf einem Trägersubstrat angeordnet sind. Die Magnetisierung der magnetit
schen Schicht ist parallel zur Hauptoberfläche des Spiegels und
senkrecht
zur Ebene des fl-ingen ausgerichtet, so daß sie mit dem planpolarisierten acht in
Wechselwirkung tritt, das parallel zur Ringebene ausgerichtet ist, um eine nichtreziproke
Phasenverschiebung der in entgegensetzten Richtungen laufenden Strahlen zu erzeugen,
ohne daß die Polarisation verzerrt wird, d. h.
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ohne daß die Polarisation gegenüber der Ringebene gedreht wird oder
daß es in elliptische Form. umgewandelt wird. Die Wechselwirkung zwischen den Lichtstrahlen
und dem magnetischen Feld, das zur Erzeugung des Vorspanneffektes verwendet wird,
ist der quermagnetooptische Kerr-Effekt. Es wurde jedoch festgestellt, daß dieser
Effekt einen unerwünschten nichtreziproken Verlust oder eine differentielle eflektion
der in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Strahlen zusätzlich zu der nichtreziproken
oder der differentiellen Phasenverschiebung hervorruft, die den Strahlen erteilt
wird.
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Der nichtreziproke Verlust tritt als Folge davon auf, daß die entgegengesetzt
gerichteten oszillierenden Strahlen differentiell an den Vorspannspiegel reflektiert
werden, und es wird angenommen, daß dieser Effekt dem Vorhandensein der magnetischen
Schicht in dem Spiegel zugeordnet werden muß, die durch einen Brechungsindex gekennzeichnet
ist, der sowohl reelle als auch imaginäre Teile aufweist. Dieser nichtreziproke
Verlust oder diese differentielle Reflektivität start den Ring-Betrieb, weil es
anzunehmen Ist, daß er eine unerwünschte Änderung der inneren Vorspannung bei Vorhandensein
von Rückstreuungen ergibt. Dies wird anhand der folgenden Bemerkungen weiter verständlich.
Aus der Rückstreuung eines der schwingenden Strahlen in dem Ring ergibt sich typischerweise,
daB
ein Teil des rückgestreuten Anteils in den anderen Strahl eingekoppelt wird, was
eine grundlegende Ursache für eine Moden einrastung ist wobei die Amplitude der
Rückstreuung proportional zur Amplitude des Strahls ist, von dem sie hervorgerufen
wird. Nun kann jeder Strahl als ein diskreter Phasor betrachtet werden, wobei die
Trennung zwischen diesen Strahlen die Größe der Überlagerungs frequenz darstellt.
In gleicher beize kann der rückgestreute Anteil jedes Strahls durch einen Phasenvektor
dargestellt werden, der immer senkrecht zu dem Phasor steht mit dem er koppelt.
Der resultierende Vektor, der von dem ursprünglichen Phasor und dem Dicke gestreuten
Phasenvektor erzeugt wird, stellt daher den entsprechenden Strahl dar, der sich
in jeder Richtung ausbreitet. Es ist verständlich, daß, wenn die rückgestreuten
Anteile von der gleichen Phase und Amplitude sind, jeder ursprüngliche Phasor im
gleichen Ausmaß beeinflußt wird und die Überlagerungsfrequenz daher konstant bleibt.
Andererseits wird, wenn die in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Strahlen
eine ungleiche Amplitude aufweisen, wie es durch eine differentielle Reflektion
hervorgerufen wird, die an einem magnetischen Vorspannspiegel erfolgt, ein großer
Anteil der R(ickstreuung von dem stärkeren Strahl in den schwächeren Strahl eingekoppelt
und umgekehrt, mit dem Ergebnis, daß die Frequenz aufspaltung zwischen den Strahlen
geändert wird und somit die nominelle Vorspannung stört. Eine ausfLshrlichere Beschreibung
dieser Kopplungserschefnung ist der US-Patentschrift 3 697 181 zu entnehmen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen verbesserten magnetischen
Vorspannspiegel zu schaffen, der nichtreziproke Verluste
kompensiert,
um auf diese Weise derartige Verluste su beseitigen oder zumindest auf einen ert
zu verringern, der mit ei ner geeigneten nichtreziproken Phasenverschiebung und
absoluten Reflektivität vereinbar ist Ein entsprechend einem Grundgedanken der Erfindung
ausgebildeter Rinlaser ist dadurch gekennzeichnet, daß er eine geschlossene Schleife
bildende optische Hohlrauelemente einschließt, die ein aktives Laser-Medium enthalten,
um in entgegengesetzten Richtungen verlauJende Lichtstrahlen zu erzeugen, die sich
entlang ei nes geschlossenen Umlaufweges in dem optischen Hohlraum ausbreiten9 wobei
der optische Hohlraum zumindest teilweise aus einem eine Frequenzvorspannung ergebenden
lichtreflektierenden Element aufgebaut ist @ um den in entgegengesetzten Richtung
er verlaufenden Lichtstrahlen eine differentielle Phasenverschiebung zu erteilen,
daß das reflektierende Element mehrfache Schichten unter Einschluß einer magnetisierbaren
Schicht aufweist, die mit zuminest einer dielektrischen Schicht beschichtet ist,
die eine Dicke aufweist die entsprechend des Brechungsindes der dielektrischen Schicht,
der Wellenlänge und des Auftreffwinkels der in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden
Lichtstrahlen auf dem reflektierenden Element bestimmt ist am im wesentlichen die
differentielle Reflektion der in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden Lichtstrahlen
zu beseitigen, die normalerweise au dem reflextierenden Element aufgrund des Vorhandenseins
der magnetisierbaren Schicht auftritt, wo bei gleichzeitig die von dieser hervorgerufene
nichtreziproke Phasenverschiebung aufrechterhalten wird.
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Die magnetisierbare Schicht kann aus einem magnetisch sättig.
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baren Material aufgebaut werden urtd kann in einer Richtung senkt
recht zur Auftreffebene der in entgegengesetzten Richtungen verlauf fenden Lichtstrahlen
magnetisiert sein, die auf das mehrschichtige Element auftreffen, und die Lichtstrahlen
können parallel zur AufK treffebene planpolarisiert sein. Der optische Hohlraum
kann eine ebene Form aufweisen, wobei die in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden
Lichtstrahlen, die auf das lichtreflektierende Element auftreffen, parallel zur
Ringebene lanpolarisiert sind, und wobei die magnetisierbare Schicht in einer Richtung
senkrecht zur Ring= ebene magnetisiert ist.
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Jeweilige Schichten des reflektierenden Elementes können so angeordnet
seing daß die in entgegengesetzten Richtungen verlaufenden und auf das renektierende
Element auftreffenden Strahlen zunächst auf die dielektrische Schicht auftreffen
und sich durch diese ausbreiten, um auf der magnetisierbaren Schicht aufzutreffen.
Die Dicke der magnetisierbaren Schicht ist vorzugsweise entsprechend seiner Lichtabsorptionseigenschalften
derart bestimmt, daß das Licht9 das nicht von dem Oberflächenbereich der magnetisierbaren
Schicht in der Nähe der dielektriscllen Schicht reflektiert wird, im wesentlichen
im Verlauf der Ausbreitung durch die magnetisierbare Schicht abaorbiert wird.
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Das mehrschichtige Element kann eine Anzahl von zusätzlichen dielektrischen
Schichten, vorz:ugsur eise mit abwechselndem hohem und niedrigem Brechungsindex
umfassen, die eine auf der anderen
über der dielektrischen Schicht
aufgeschichtet sind, wobei jede zusätzliche dielektrische Schicht eine Phasendicke
von 180° der gesamten Vorwärts- und Rückwärts-Weglänge für die sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen aufweist; die vorgegebene Wellenlängen und
Ausbrekungsrichtungen aufweisen. Die dielektrische Schicht benachbart zur magnetisierbaren
Schicht weist vorzugsweise eine. Dicke auf, die entsprechend des Brechungsindex
einer benachbarten dielektrischen Schicht der zusätzlichen dielektrischen Schichten,
der Wellenlänge der Lichtstrahlen und des Auftreffwinkels der Lichtstrahlen auf
dem lichtreflektierenden Element bestimmt ist, so daß im wesentlichen nichtreziproke
Verluste beseitigt werden die normalerweise an dem reflektierenden Element aufgrund
des Vorhandenseins der magaetischen Schicht hervorgerufen werden, wobei gleichzeitig
die durch diese hervorgerufene nichtrezie proke Phasenverschiebung aufrechterhalten
wird.
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Gemäß einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein Ringlaser
geschaffen, der Einrichtungen zur Bildung eines eine-geschlossene Schleife bildenden
optischen Hohlraums umfaßt, der ein aktives Lasermedium enthält, um in entgegengesetzten
Richtungen verlaufende Lichtstrahlen zu bilden, die sich entlang eines geschlossenen
Umlaufweges in dem optischen Hohlraum ausbreiten und die parallel zur Auftreffebene
der Lichcstrahlen auf einem lichtreflektierenden mehrschichtigen Frequenzvorspannelement
planpolarisiert sind, das einen Teil des optischen Hohlraumes bildet und eine Einrichtung
darstellt, um den Lichtstrahlen eine nlchtreziproke Phase verschiebung zu erteilen,
wobei dls lichtreflektierende mehrschich=
tige Element eine magnetische
Schicht, die in einer Richtung senkrecht zur Aüftreffebene der sich in -ntgegengesetzten
Richtungen aus breitenden und auf diese auftreffendes Lichtstrahlen magnetisiert
ist, und eine Anzahl von dielektrischen Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem
Brechungsindex umfaßt, die eine über der anderen über der magnetischen Schicht aufgeschichtet
sind, wobei weiterhin die diw elektrische Schicht benachbart zur magnetischen Schicht
eine Dicke aufweist, die entsprechend dem Brechungsindex dtor benachbarten dielektrischen
Schicht und der Wellenlänge der Lichtstrahlen und des Auftreffwinkels auf dem lichtreflektierenden
mehrschichtigen Elem ment bestimmt ist, so daß im wesentlichen die nichtreziproken
Verm luste beseitigt werden, die an dem mehrschichtigen Element aufgrund des Vorhandenseins
der magnetischen Schicht auftreten, während gleichzeitig die von diesem erzeugte
nichtreziproke Phasenverschiebung beibehalten wird, und wobei die übrigen dielektrischen
Schicht ten jeweils eine Phasendicke von ungefähr 1800 für die gesamte Vorwärts-
und Rückwärts-Weglänge der sich in entgegengesetzten Richtungen und sich durch diese
hindurch ausbreitenden Strahlen aufweist um die absolute Reflektion des lichtreflektierenden
mehrschichtigen Elementes zu verbessern.
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Entsprechend einem weiteren Grundgedanken der Erfindung wird ein
magnetischer Vorspannspiegel geschaffen, der ein Substrat umfaßt, das mit einem
Film aus magnetischem Material beschichtet ist, das seinerseits mit einer Anzahl
von dielektrischen Schichten mit abg wechselndem hohem und niedrigem Brechungsindex
beschichtet ist, wobei die dielektrische Schicht benachbart zur magnetischen Schicht
in
der Dicke so abgeglichen ist, daß die differentielle Reflektivität der sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen bei dem Auftreffen beseitigt wird, die durch
den magnetischen Film hervorgerufen wird, der bewirkt, daß den Lichtstrahlen eine
differentielle Phasenverschiebung erteilt wird. Die Dicke jeder der anderen dielektrischen
Schichten kann so ausgewählt werden, daß die Reflek tivität der sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreitenden Lichtstrahlen verbessert wird, um die niedrige Reflektivität
des magnetischen Filmes zu kompensieren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestai.ungen und Weiterbildungen der Erfindung
ergeben sich aus den Untera-lsprlichen.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels rtoch näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht eines
üblichen Ringlasers, der eine Ausführungsform eines gegenüber nichtrezin proken
Verlusten kompensierten magnetischen Vorspannspiegels einschließt, Fig.. 2 eine
Polarkoordinaten-Darstellung zur Darstellung der Phasen- und Amplitudenreflektionseigenschaften
eines magnetischen Spiegels, die zur Erläuterung der Erfinm dung zweckmäßig ist,
Fig.
3 eine graphische Darstellung der Änderung der Totalreflektion und der differentiellen
Reflektivität und der Phasenverschiebung als Funktion der Dicke der dielektrischen
Schicht für einen dielektrisch beschichteten magnetischen Vor.spannspiegel, Fig.
4 eine Draufsicht einer Ausfürhungsform eines magnetischen Vorspannenlements.
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Der in Fig. 1 dargestellte Ringlaser umfaßt einen eine geschlos sene
Schleife bildenden optischen Hohlraum mit einem aktiven Lasermedium 10, das Brewster
inkel--Endfenster aufweist und das so ausgerichtet ist, daß es planpolarisierte,
im Uhrzeigersinn (CW) und im Gegenuhrzeigersinn (CCW) verlaufende Lichtstrahlen
liefert, die parallel zur Ebene des optischen Hohlraums des Ringlasers ausgerichtet
sindg der durch die Eckenspiegel 11 - 14 definiert ist, die die sich entgegengesetzt
ausbreitenden Strahlen entlang eines geschlossenen Umlaufweges 15 umlenken. Wie
es für den Fachmann verständlich ist, hangt die Wellenlänge der Lasermoden, die
in einem Schwingungszustand gehalten werden, von der Länge der geschlossenen Schleife
des Hohlraumes ab. Bei Fehlen jeder Drehung des Ringes um eine Achse, die senkrecht
zur Ebene dieses Ringes aus gerichtet ist, oder bei Fehlen anderer nichtreziproker
Phaseneffekte innerhalb des Ringhohlraumes durchlaufen die sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreitenden Strahlen beim Umlaufen in dem Hohlraum die gleiche Weglänge
und schwingen somit mit der gleichen Frequenz. Bei Vorhandensein einer Drehung oder
innerer nichtreziproker
Phaseneffekte durchlaufen die sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreitenden Strahlen jedoch eine @ nterschiedliche Weglänge und schwingen
bei unterschiedlichen Frequenzen.
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Der Spiegel 12 ist ein magnet sches Vorspannelement von der Art,
wie sie in der eingangs erwährrcen US-Patentschrift ... (US= Patentanmeldung 714
891) beschrieben ist, wobei die Magnetisie rung in einer Richtung parallel zur ebene
des Spiegels und senkrecht zur Ringlaserebene ausgerichtet ist wie dies durch den
Pfeil 16 gezeigt ist. Die angezeigte Ausrichtulag der Lichtpolarisation und der
Magnetisierung des Vorspannspiegels ergibt einen quermagnetooptischen Kerr-Effekt-Betrieb,
der eine Ausbreitung der Strahlen um den geschlossenen Hohlraumweg ohne eine Verzerrung
der Polarisation oder eine Einführung einer Faraday-Drehung ermöglicht. Durch die
Wirkung des Vorspannspiegels 12 werden selbst ohne eine Ringdrehung nichtreziproke
Phasenverschiebungs-Effekte von dem Spiegel erzeugt, so daß die sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreiten den Strahlen einer Laser=Schwingungsmode auseinander aufgespalten
werden und bei unterschiedlichen Frequenzen schwingen wobei die Größe der Frequenzaufspaltung
unter anderem von der Größe der Ma gnetisierung in dem Vorspannspiegel 12 abhängt.
Eine Ringdrehung bewirkt dann, daß sich die Vorspannfrequenzaufspaltung um einen
Wert ändert, der proportional zur I)rehgeschwindigkeit des Ringes ist, wobei die
Änderung eine Vergrößerung oder Verringerung gegen-Über der Vorspannfrequenz in
Abhängigkeit von der Drehrichtung gervorruft, so daß sowohl die Geschwiildigkeit
als auch die Drehrichtung in einfacher Weise bestimmt werde kann. Die Messung der
momentanen
Überlagerungsfrequenz wird in üblicher Weise so durchgeführt,
daß man einen kleinen Teil der Energie in jedem Strahl aus dem Hohlraum austreten
läßt, beispielsweise durch die Verwendung eines Spiegels 14, der eine Reflektivität
von etwas weniger als 100 % aufweist. Der Erregungsteil des sich im Uhrzeigersinn
ausbreitenden Strahls wird beispielsweise an einem Spiegel 17 reflektiert und wird
teilweise durch einen Strahlspalter 19 auf einen Photodetektor 20 weitergeleitet.
In gleicher Weise w ird der Erregungsteil des sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden
Strahls an einem Spiegel 18 reflektiert und wird darauffolgend 1:eilweise an dem
Strahlapalter 19 auf den Photodetektor 20 reflektielt, der diesen Strahl mit dem
sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Stahl mischt, um ein Ausgangssignal zu erzeugen,
das eine Frequenz gleich dem Frequenzunterschied zwischen den Strahlen aufweist.
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Fig. 2 ist eine Polarkoordinauendarstellung der Reflektions- und
Phaseneigenschaften eines magnetischen Spiegels. R stellt die Größe der Reflektion
an dem nichtmagnetlschen metallischen oder dielektrischen Spiegel für einen Lichtstrahl
dar, der unter einem bestimmten willkürlichen Phasenwinkel » angenommen ist. Dies
heißt mit anderen Worten 9 daß im Fall eines nichtmagnetischen Spiegels und unter
der Annahme, daß keine nlchtreziproken Phasenverschiebungseffekte in dem Ring vorhanden
sind so daß die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Strahlen mit
der gleichen Frequenz schwingen, jeder der Strahlen durch einen Vektor R mit einem
Winkel dargestellt werden kann. Das gewünschte Ergebnis im Fall eines magnetischen
Spiegels wllrde darin bestehen, daß der Absolutwert
der Reflektivität
R entsprechend den gestrichelten Vektorlinien 21 und 22 modifiziert würde, die senkrecht
zu R ausgerichtet sind, um eine resultierende gleiche Reflektivität für die sich
in entgegen gesetzten Richtungen ausbreitenden Strahlen hervorzurufen, die durch
Rccw und Rcw dargestellt sind, und die jeweils um - ## und + gegenüber R für eine
gesamte nichtreziproke oder differentielle Pha= senverschiebung von 2 ## phasenverschoben
sind Das Vorhandensein des magnetischen Materials In dern Vorspannspiegel 12 bewirkt
jedoch, daß die Vektoren 21 22 tatsächlich gegenüber R verkippt sind, wie es durch
die Vektoren 21' und 22' dargeseellt ist, so daß die sich ergebenden Vektoren RMccw
i:;nd RMcw die die jeweiligen sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden
Strahlen darstellen, nich reziprok phasenvercshoben sind und eine ungleiche Amplitude
aufweisen. Daher ruft der magnetische Vorspannspiegel 12, der die gewünschte nichtreziproke
Phasenverschiebung ergibt gleichzeitig eine differentielle Reflektivität cder einen
nichtreziproken Verlust hervor, der, wie es weiter oben erläutert wurde, mit hoher
Wahrscheinlichkeit bei Vorhandensein vcn Rückstreuungen eine sich ändern de innere
Vorspannung ergibt Es hat sich jedoch erfindungsgemäß herausgestellt, daß eine Kompensation
zur Beseitigung oder wirksamen Aufhebung des Nichtreziproken Verlustes dadurch erzielt
werden kann, daß die Dicke einer dielektrischen Schicht, die über der magnetischen
Shicht des Spiegels liegt, in geeigneter Weise ausgewählt wird.
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Fig. 3 Fall eine graphische Darstellung der Reflektions= und Phasenverschiebungseingenschaften
einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen
magnetischen Vorspannspiegels.
Die dargestellten Kurven beziehen sich auf einen Spiegel de: ein Trägsubstrat umfaßt,
das auf einer Oberfläche mit einer ferromagnetischen Schicht beschichtet ists wie
z. B. Eisen mit einer Dicke von 2000 " auf die acht Schlich ten von Zinksulfid und
Kryolit als typische dielektrische Materialien aufgeschichtes sind. Die äußeren
von der magnetischen Schicht entfernten sieben Schichten sind vorzugsweise in ihrer
Dicke so eingestellt, daß sich eine maximale Lichtreflektivität ergibt, wie es ausführlicher
in Verbidnung mit Fig 4 erläutert wird. Die der magneti= schen Schicht benachbarte
Schicht ist anderersits in der Dicke so eingestellt, wie es erforderlich ist, um
nichtreziproke Verlusteffekte aufzuheben oder im wesentlichen zu beseitigen, und
zwar in Überein stimmung mit geeigneten üblichen Maßnahmen in bezug auf die absolute
oder Totalreflektivität und die differentielle Phasenverschiebung, wie es im folgenden
erläutert wird.
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Die Reflektions- und Phasereigenschaften nach Fig, 3 sind als Funktion
der Phasendicke der dielektrischen Schicht benachbart zur magnetischen Schicht des
Spiegels aufgetragen. Die Phasendicke irgendeiner Schicht ist selbstverständlich
auf die Lichtwellenlänge, den Weg des Lichtes durch die Schicht und den Brechungsindex
dieser Schicht bezogen. Es ist aus der graphischen Darstellung zu erkennen9 daß
die absolute oder Totalreflektivität R einen Maximalwert Rmax erreichtm der in diesem
Fall angenähert mit der Phasendicke zusammenfällt, bei der ein Überkreunzung der
differentiellen Reflektivität #R und der nichtreziproken Phasenverschiebung ## auftritt,
eine Phasendicke, die bei ungefähr 73° liegt. Die allgemeine
From
der verschiedenen Kurven bleibt ungefähr für andere dielektrische und magnetische
Materialien, Kombinationen hiervon und Anzahl von Scgichten gleich, obwohl die Absolutwerte,
die Nullachsen-Überkreuzungen und die Neigungen sich in gewissem Ausmaß ändern.
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In jedem Fall kann nichtreziproke Verlustkompensation wie im dargestellten
Fall erzielt werden, well es zu erkennen ist daß die Kurve für die differentialle
Reflektivität #R die Nullachse bei einnem bestimmten Wert der Phasendicke für die
dielektrische Schicht benachbart zur magnetischen Schi<'Itt überkreuzt, und zwar
in dem dargestellten Fall ungefähr ba. 270 Es ist zu erkennens daß die absolute
Reflektivität an diesem Punkt etwas niedriger ist jedoch weiterhin größer als 96
% ist und daher für einen Ringlaserbetrieb aus reichend ist, während die differentielle
Phasenverschiebung ## verglichen mit ihrem Wert am Punkt der maximalen Reflektion
vergrößert ist. Ein Abweichung von der exakten dargestellten Phasendicke zur Erzeilung
eines nichtreziproken Verlustes von Null kann zugelassen werden9 um eine etwas vergrößerte
absolute Reflektion oder nichtreziproke Phasenverschiebung und erzielen, wenn dies
erwünscht ist und dies hängt selbstverständlich von der Neigung der AR-Kurve in
der Nähe der Nullachsen-Überkreuzung ab, d. h. für eine Kurve für die differentielle
Reflektivität, die eine geringe Neigung in der Nähe der Nullachse-Überkreuzung aufweist,
können größere Abweichungen erfolgen, um eine spezielle Totalreflektion oder nichtreziproke
Phasenverschiebung zu erzielen, wenn dies erwünscht ist, ohne einen nicht tragbaren
nichtreziproken Verlust einzuführen.
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Die in Fig. dargestelltn Kurven wurden durch eine Computer-Berechnung
von Gleichungen gewonnen, die die absolute Reflektivität
und die
differentielle Reflektivität und die Phasenverschiebung als Funktionen der Phasendicke
der dielektrischen Schicht, die als die unabhängige Variable betrachtet wurde, definieren.
Ein entsprechend der aufgezeichneten Daten aufgebauter SpIegel kann dadurch zur
Be stätigung der theoretischen Messungen getestet werden, daß die Intensität und
die relative Phase von Lichtstrahlen gemessen wird die auf den Spiegel so gerichtet
werden, wie sie gerichtet werden, wenn der Spiegel in den Ringlaser eingesetzt ist.
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In Fig. 4 ist ein Vorspannelement rnit Einrichtungen zur Erzielung
einer nichtrezlproken Phasenverschiebung ohne gleichzeitige nichtreziproke Verluste
oder mit zumindest weitgehend verringerten Verlusten dargestellt das eir: Träger-
oder Substratelement 23 aus einem Material wie z. B. Quarz, Glas oder Aluminium,
eine rna gnetische Schicht 24 aus ferromagnetischem Material, wie z. B.
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Eisen, und eine Anzahl von dielektrischen. Schichten 25a 25f mit abwechselnd
hohem und niedrigem Brechungsindex umfaßt. Die dielektrischen und magnetischen Schichten
haben typischerweise eine Dicke von ungefähr 3000 Å und können auf dem Substrat
entsprechend üblicher Techniken abgeshieden werden. Jede der dielektischen Schichten
25a - 25e weist eine derartige Phasendicke für die Wellenlänge und den Llchtweg
der durch sie verlauft auf5 daß das von der hinteren Oberfläche jeder Schicht reflektierte
Licht in Phase mit der von der vorderen Oberfläche reflektierten Licht ist Die abwechselnd
hohen und niedrigen Brechungsimidizes der aufeinanderfolgenden Schichten ergeben
eine geeignete Impedanzanpassung zur Sicherung der gewünschten Reflektionseingenschaften.
Somit wird, wenn
der Spiegel in dem Ring so ausgerichtet i:>'t
daß die Uhrzeigersinn-und Gegenuhræeigersinn=Strahlen zuerst auf die Schicht 25a
mit dem hohen Brechungsindex, die einen Brechungsindex höher als der Luft weg der
Ring strahlen aufweist, auftreffen von der vorderen Ober fläche dieser Schicht reflektiertes
Licht mit einer Phasenverschie= bung von 180° reflektiert während der Teil des Lichtes9
der von der hinteren Oberfläche an der Grenzschicht der Schichten 25a und 25b reflektiert
wird, mit einer Phasenverschiebung von Null reflek tiert wird. Das von der hinteren
Oberfläche reflektierte Licht durchläuft jedoch eine zusätzliche Phasenlänge von
1800 beim zweimaligen Durchlaufen der Schicht 25a (1/4 Wellenlänge dick) und ist
daher in Phasen mit dem um 180° phasenverschobenen Licht, das von der vorderen Oberfläche
reflektiert wird. In gleicher Weise wird das von der hinteren Oberfläche der Schicht
25 an der Grenzschicht mit der vorderen Oberfläche der Schicht 25c mit hohem Brechungsindex
mit einer 180 --Phasenverschieblmg reflektiert; worauf nach dem Zurück laufen zur
Grenzschicht der Schichten 25a und 25b das Licht in Phase mit dem von dieser Grenzschicht
reflektierten Licht ist. Die gleiche Wirkung erfolgt an den Grenzschichten jeder
der Schichten 25a bis 25e, wodurch die Gesamtreflektion von diesen Schichten maximal
gemacht wird. Die Phasendicke der letzten dielktrischen Schicht 25 f ist je doch
nicht zur Maximierung der Totalreflektivität ausgewählt, sondern vielmehr, wie es
weiter oben erläutert wurde, so, daß der nicht reziproke Verlust oder die differentielle
Reflektivität der sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Strahlen verringert
oder wirksam beseitigt wirds selbst unter Inkaufnahme einer gewissen Ver= schlechterung
der Gesamtlichtreflektion. Die Reflektivität der magnetischen
Schicht
ist typischerweise kleiner als 70 96 und sogar so niedrig wie 40 % und ist daher
allgemein an sich ungeeignet für die Konstruktion eines Ringlaser-Eckenspiegels,
wenn nicht gewisse Maß nahmen getroffen werden, wie z. B die dielektrischen Schichten
zur Vergrößerung der Gesamtreflektivität auf ungefähr 90 % und vorzugsweise auf
mehr als 95 %. Im Hinbl--ck auf die niedrige Reflektivität der magnetischen Schicht
und ihrer effektiv größeren Dicke, - die sich aus ihrer größeren Absorption pro
Einheit der Dicke als den dielektrischen Schichten ergibt, erfolgt der größte Teil
der Lichtreflektion an der magnetischen Schicht in der Nähe der vorderen Oberfläche
oder lediglich nach einem geringfügigen Lindringen in die Schicht Daher ist die
Phasenbeziehung zwischen dem von den vorderen und hinteren Oberflächen der magnetischen
Schicht reflektierten Licht von geringer oder keiner Bedeutung.
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Zusammengefaßt kann gesagt werden daß jede der dielektri= schen Schichten
unter Ausschluß der der magnetischen Schicht 24 benachbarten Schicht eine Phasendicke
für einen Durchlauf der Lichtwellenlänge und Lichtwegrichtung von 90° aufsweist,
was einer gesamten Vorwärts- und Rückwärts-Phasendicke von 180° entpricht, um die
Absolute oder Total-=Reflektiwrität zur Kompensation der geringen Reflektivität
der magnetische:: Schicht zu verbessern. Die dig elektrische Schicht 25 f benachbart
zur magnetischen Schicht 24 weist andererseits eine gesamte Vorwärts- und Rückwärts-Phasendicke
auf, die so ausgewählt ist, daß der nichtreziproke Verlust beseitigt wird, der durch
das Vorhandensein der magnetischen Schicht eingeführt ist, während die Dicke der
letzteren ausrechend groß gemacht ist, so daß
im wesentlichen kein
Licht von der hinteren Oberfläche dieser Schicht reflektiert wird.
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Wie es in der US-Patentschrift . C (US=Patentanmeldung 714 891) erläutert
ist kann die magnetische Schicht vorzugsweise aus einem Material hergestellt sein,
das eine Rechteckschleifgen-Hysteresis-Eigenschaft aufweist, so daß es einerb hohen
Grad von magnetischer Remanenz aufweist, wobei in diesem Fall der Spiegel nur einmal
zu Anfang magnetisiert werden muß, um die rernanente Magnetisierung-ausx zubilden.
Im Fall von anderen Materialien mit niedriger Remanenz müssen jedoch Einrichtungen
zur ko ontinuierlichen Magnetisierung des Spiegels vorgesehen sein. In jedem Fall
kann es . selbst wenn das Material einen hohen Remanenzgrad aufweist erwünscht sein,
Maßnahmen vorzusehen, wie z. B. einen Magnet in der Nähe des Spiegels, um die Magnetisierung
umzukehren, um eine Vorspannungsumkehr zu erzielen.
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In bezug auf die dielektrischen Schichten 25a ° 25 f gilt, daß die
Reflektionskoeffizienten der jeweiligen Oberflächen um so größer sind, je größer
der Unterschied in den Brechungsindizes der benachbarten Schichten ist. Materialien
mit relativ hohen Brechungsindizesg deren Werte in Klammern angegeben sind und die
zur Verwendung mit der vorliegenden Erfindung geeignet sind, sind Zinksulfid (2,3),
Germanium (490) und Silberchlorid (2,06). Materialien, die relativ niedrige Brechungsindizes
haben, utid die eberifalls zur Verwendung mit der Erfindung geeignet sind, sind
Kryolit (1,3 - 1,33), Magnet siumfluorid (MgF2) (1,38 - 1,40) und Kalziumfluorid
(1,23 1,28).
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Patentansprüche: