DE2460806A1 - Lasergyroskop - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasergyroskop, bei dem zwei unabhängig voneinander arbeitende, sich nicht gegenseitig beeinflussende Ringlaser in zwei Üboneii bezüglich einer gemeinsamen, senkrechten Bezugsachse übereinander angeordnet sind. Als Strahlungserzeugungseinrichtung kann sowohl ein Festkörperlaser, als auch ein Gaslaser Verwendung finden, wobei die Resonatoren beider Lasertypen als Wellenleiter ausgebildet sind.

Lasergyroskope sind in verschiedenen Ausfiihrungsforinen bekannt. So ist beispielsweise aus der deutschen Auslegeschrift 1 961 eine Ringlaseranordnung zur Messung von Winkelgeschwindigkeiten bekanntgeworden, bei der die Empfindlichkeit für die Messung kleiner Winkelgeschwindigkeiten gesteigert und die Meßzeit sehr verkürzt wird, indem zwei voneinander unabhängig arbeitende Ringlaser in zwei Ebenen übereinander angeordnet sind und jeder dieser Kinglaser so mit elektro-optischen Elementen be-stückt ist,

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daß die Ueilen in jedem der beiden Ringlaser nur in einer Richtung laufen können, dadurch, daß in dieser bekannten Linrichtung jeder der beiden Ringlaser unabhängig vom anderen arbeitet, wird der sogenannte "Lock-in^-Lffekt vermieden, dessen Entstehung auf der Tatsache beruht, daß sich die durch die Rotation aufgespaltenen, sehr nahe beieinander liegenden Eigenschwingungen so beeinflussen, daß sie effektiv mit einer gemeinsamen Frequenz schwingen. Damit aber ist keine durch die Rotation erzeugte Differenzfrequenz mehr möglich. Diese Anordnung hat jedoch den Mangel, daß die Laufwege der beiden gegensinnigen Wanderwellen weder automatisch gleich sind, noch sind ihre !Unterschiede wegen der thermischen Verformung des Ucsonatorraatcrials zeitlich konstant. Damit aber ist ein einwandfreies Keßergebnis nicht möglich.

Aus der deutschen Offeiilegungsschrift 2 Vhh 575 ist eine ähnliche Anordnung bekanntgeworden. Hier sind zur Erzielung möglichst kurzer Meßzeiten zwei unabhängige lineare Laser g.o gen sinnig zueinander in einer I.bene angeordnet, wobei jeder Laser eine vom anderen unterschiedliche Doppler-Verbreiterung aufweist und jeder der ausgesandten Strahlen nur den Weg eines lialbringinterferometers durchläuft. Auch hier gilt das vorher Gesagte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lasergyroskop der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Verfälschung des Meßergebnisses durch die Ungleichheit der Laufwege der beiden gegensinnigen Wanderwellen und die zeitliche Unkonstanz der Unterschiede wegen der thermischen Verformung des Hesonatormaterials behoben sind.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die beiden Ringlaser des Laserkreisels zur Gewährleistung eines optimalen thei*mischen Kontakts unmittelbar übereinander angeordnet sind, daß die Resonatoren beider Lasertypen als Wellenleiter ausgebildet sind, daß Temperatursensoren angeordnet sind, die den piezoelektrischen Resonatorabgleich steuern, und daß Verlustmodulatoren ein periodisches Umschalten des UmlaufSinnes der Uanderwellen steuern. Durch diese Maßnahmen werden nicht nur die eingangs erwähnten

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Nachteile behoben, sondern auch die bisher erforderlichen hohen Anforderungen an höchste Präzision >Jer optischen Bauteile und extreme Sorgfalt bei <ler Fertigung können sehr stark vermindert werden.

Alle bisher bekannten Kreisel verwenden nahezu ausnahmslos Hefte-Laser in Ringkonfiguration und erreichen bei üon typisciien Abmessungen von 3 bis Ip cm Empfindlichkeiten von wenigen ßogensekunden bei einer Langzeitdrift von 0,003 bis 10 lirad/ötunde. Um diese Leistung aber zu erreichen, ist eben die Verwendung von optischen Bauteilen mit höchster Präzision erforderlich; außerdem müssen eine Reihe von komplizierten Compensations- und Vorgabetechniken angewendet werden. L>ios ist nunmehr nicht mehr in dem I-iaße erforderlich, so daß sich der orfindunj_,sgeiuäßc Laserkreisel infolge seiner wesentlich verminderten Herstellungskosten besonders zum militärischen Einsatz - beispielsweise in Flugkörpersystemen mit relativ kurzer Flugzeit - eignet.

Dies vor allem, weil ein weiteres Merkmal der Erfindung vorsieht, daß als aktives Element ein CO^-Wellenleiterlaser oder ein Festkörperlaser in "integrierter üptik-ßauweise", dessen Resonator ebenfalls Wellenleitereigenschaften besitzt, verwendet wird. Gegenüber dem IleKe-Ringlaser bewirkt diese Wahl mehrere Vorteile. Infolge der Wellenleitereigenschaften der Resonatoren ist eine Verlagerung des Laserstrahls innerhalb des Resonators und eine dadurch bewirkte Laufwegänderung nicht mehr möglich, weiterhin entfallen wegen der hohen Verstärkung beider Lasermedien und darüber hinaus beim C0₂-Laser wegen dessen 17-fach größerer Wellenlänge die Forderung nach höchster optischer Güte von Modulatoren und Resonatorspiegeln, bei den Auskoppelspiegoln auch die präzise Einhaltung eines bestimmten Auskoppelgrades. Insgesamt können die Anforderungen an die Präzision der optischen Bauteile und an größte Sorgfalt bei der Fertigung stark vermindert werden.

Nun läßt sich das Funktionsschema des üblichen Einzelring-HeNe-

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LaserkreisolH nicht ohne weiteres auf einen Cüg-Vv'ellenleiter-Laserkreiscl übertragen, denn die Verstärkungskurve im CO_n-Vi ellenloitor weist im Gegensatz zum HeiNe-Laser wegen des hohen Lasergasdruckes pine homogene Linienverbreiterung auf. Dies bewirkt eine so starke Wechselwirkung zwischen den beiden gegenläufigen Vanderwellen, daß eine davon auslöscht. Aus diesem Grunde sind bei der Lrfindung zwei getrennte Kingresonatoren übereinander angeordnet, in denen je eine \v'anderwelle gegensinnig umläuft und extern - wie beim üo3Se-.Ringlaser auch - mit der anderen Wandcrv^slle überlagert wird. '

Ähnliches gilt auch für uen Festkörper-Laserkreisel. Auch hier werden in gleicher Vei se zwei getrennte Kingresonatoren übereinander angeordnet, da der Festkörpercharakter des Lasermediums eine homogene Linienverbreiterung und damit eine überstarke Kopplung beider "ttandorwelleri bewirkt.

In beiden Laserkreiselarten mit zwei getrennten Hingresonatoren - also COo-Vv'ellenleiterlaser und Festkörperlaser - müssen die während des Betriebs auftretenden thermisch bedingten Laufwegänderungen der einzelnen ltingresonatoren sowie die fertigungs-■ bedingten festen Laufwegunterschiede beider Kingresonatoren eines Laserkreisels kompensiert weiden. Hierzu schlägt die Lrfindung beim COo-Wellenleiter-Laserkreisel vor, daß die Ringlaser mit ihren Modulatoren zwischen möglichst, dünne Schichten aus hochtemperaturstabilen Materialien, wie z. B, Cervit oder ULL-Quarz, an denen die Temperaturfühler angeordnet sind, gelegt werden.

Leim Festkörper-Laserkreisel wird vorgeschlagen, die entsprechend angeordneten Ringlaser und Trennschichten mit den Temperaturfühlern in "integrierter Optik-Bauweise" auszuführen, wobei ebenfalls dünne Schichten temperaturstabiler Materialien Anwendung finden.

Infolge der konstruktionsbedingten unmittelbaren Nachbarschaft beider Ringresonatoren eines Laserkreisels befinden sich diese in gutem thermischen Kontakt, so daß thermisch bedingte unter-

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schiedlieho Verformungen der Resonatoren von vorne hnro.in klein gehalten worden. Uärübtsr hinaus ve rden >".v<;i verschiedene Kompensationsvfi-fahren an;.;(M.^:cn<!efc.

Bei beiden Ringlnsortypen worden fiii' jodmi !.inzcilrinj; die während des 5¹Jf*.triebs nuftretcmien Tonipc;r-aturr»v;.hv:anlcui.i;:on rhi rc Ji die Tempex-aturfühlor gemessen nn<l die dadurch bewirkten Laufvo.gänderungcn der beiden Wand or ve.lic; η durch automatisches .Nachrcgoln der piezoelektrisch angeti*iebenon L an ar spiegel ausgeglichen. I-ventvioll dadurch noch nicht völlig ausgeglichene sowie die ferti^ungsbedin^ten festen Lauf viej-junt er schiede norden zusätzlich durch periodisches umschalten des Lmlau.fsinnos der Wanderwellen in den V-in;;eli-iii^;on

Die Erfindung ist nachfolgend an zwei Ausführun^sbeispiolen beschrieben und gezeichnet. Ls zeigen:

Fig. 1 ein Prinzipschema ο i.nes Lüppcllaser-iiyruskop-=; Fi<r. 2 einen Quex'sclmilt durch ein ί t,.-'.»cllciiit:itt-rl a.-icr-

fiyroskop in .schematiic'icr bars teilung.; Fig» .j oinen Qutjx'is-chnit ι durch ein Fesikü.tpt.'rlafccr-üyroskop in sciieraatischer Dar*, to Llung.

Die Fig. 1 zeigt das Prinzipschi'ina des D wie os die Ι.χ·ΐinching vorschlägt , vohei die angege-bont-a üichtungen der »'anderwellen »v- und V. _r, periodisch uingc^sclialtet wcriV-i«. '-'ber, ZV.·! sehen und untt-r ucn l-iingla-^f-raiiox-'-Uiungen H₁, , Rr, sind auf dem gesamten Kesonatorunvfang die Temperaturfühler Tj, T^

c· t. t-'en durcli V^, V^ angedeui;c-tc-.u x^fcrsl.ärki.ui"!yn

vnd T„ £»n£eo

fiedion, ve3.che Raho.y.u den gosaJntoii. ode.\· einoxi Toil ύα~ε umfangs einnehmen, .sind riiezoolelc.trisch vor-slt/llbiire Ursuiii-.torfcpiegel F₄, P- zugeordnet, die ^usaumien nu.t "Uc-Ii V.on!t?ven Hesonatorspiegeln Kj und K- und den Auskoppelspie^eln A>, i\_o den i-ting- · laser bilden. Zwischen den piezoelektrisch verstellbaren Spiegeln Pj₁ ϊ'2 ^unc^ ^c^^en konkaven liesonÄtorspiegcln K.,, b.,·, sind die toren M>, ^ίn geschaltet. Sir. können jedoch eben«;© κΛ\ΐ.sehen

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konkaven und die ^uskopnelspiegel geschaltet werden. UmIenkspiegol Tj.., U₀ lenken die Strahlen des einen Hinglasers jeweils auf einen Strahlteiler S, hy.v. ' S₀ de.s ander« η Ringlasers, von wo die Strahlen beider uinglaser jeweils auf ein L»etektorpaar D^ bzw. Hg gelenkt -worden und dort zur interforenz gelangen. Die Teraperntii.r>?ensoren bzw. Tnmporaturfühlor T^, To und To ■steuern nun fmtsprechend den thermisch bedingten Laufwegänderun- ;;en die Stellung der Resonator.spiegel P- und J^, wodurch diese Fehlergrößen hw. ihre I-ntersch iedc kompensiert werden» Un nun auch die noch nach dieser Kompensation übrigbleibenden Fehlorgrößen der thormisch bedingten Verformung und der f ertigun.irsbedingten Laufwegunterschiede der beiden li.xngresonatoron R-j und Rp ^^u kompensieren, steuern sogenannte Verlustmodulatorcn ^₁, Ji2 - beispielsweise Faradayzellen mit Polarisatoren - durch periodisches Umschalten r!e.n t-mlaufsinn dor Wandorwellen W., \v_o.

In der Fig. 2 ist ein Prinzipquerschnitt für eine Ausführungsforni mit eiiiewi Cu_n- '·■. tllenleiterlaser ,';ozc.ij;t. Lie .Lasereinrichtungen 10. 11 sind 7,i«-isc!iiui dünne Schichten 12 nus Cervit, LLL-Ounrz oder einem ähnlichen *iatcrial gelagert. Diese Schichten 12 sind :ii.i.t ToiMporaturfühlerri 13 versehen., üur übrige Aufbau ist derselbe wie vorher schon boisclirioben. J-»lt lh sind die piezoelektrisch verstellbaren iiesonatorsi>iogol bezeichnet, mit 13 die Hntla-Um,';. s.rolire mit dem verstärkenden >iediuin, 16 stellt die Vrrlustniodulatorcxi dar und 17 die Auskoppo.l.epie,^f£<il. l8 -iind die Umlenkspiegel, die Jie ausgekoppelten kohärenten Strahlen jeweils auf den S irahl te i lcr 19 des anderen ---iinfrlaserd lenken, von wo sie dom jeweiligen Detektorpaar 20 zu.eeführt worden.

In Fig« 3 ist nun die Aus.führυngsfonn für einen Festkörperlaser in integrierter Optik-Bauweise in einem Prinxipquersclinit t geneigt, Wieder sind zwischen dlinnn Ti-onnech.i chten mit ic-raperaturfühlern 10l die Hinglaser 102, 10 3 mit den Modulatoren und dem optischen Ueglängenabgloich angeordnet. Lxtern davon befinden sich die optisch in te^x*ie.i.'l«jn Teile 10'i, wie Auskoppel- und a^orungsopti!·;, i etek t.oren usw.. Dies alles lajert aal einer

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Platte aus ULE-Quarz, Cervit oder ähnlichem Material.

Für Flugkörpersysteme mit kurzer Flugzeit, bei denen ja das Lasergyroskop nur einmal zur Anwendung kommt, werden im allgemeinen an die Genauigkeit und Langzeitdrift geringere Anforderungen gestellt. Für diese V<rwendungszwecke bietet sich aus Kostengründen, weil der Aufbau wesentlich vereinfacht ist, die Verwendung eines COg-Wellenleiterlasers odor eines Festkörperlasers an. Wie bereits erwähnt, können beim COo-toellenleiterlaser aufgrund der siebzehnfachen Wellenlänge und bei beiden Lasertypen aufgrund der hohen Verstärkung des Lasermediums und der Wellenleiterei&enschaften des Laserresonators die Anforderungen an höchste Präzision der optischen Bauteile und an den enormen Fertigungsaufwand ganz wesentlich vermindert weiden.

- Patentansprüche -

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Claims (6)

K-ULOhI-I - 8 - Ottobrunn, 11. Dez. 197Z1 GL tiLLLSCHAFT Δ i O lA MT IiLSULiAM1LTi-K i:AFTl;.\G Kre/Ke Mb.NCHLA Patentansprüche

1.) Lasergyroskop, bei dem zwei vinabliärigig voneinander arbeitende, sich bezüglich ihres Str*ahlungsf eldcs nicht gegenseitig beeinflussende Ringlaser in zwei Ibeiien bezüglich einer gemeinsamen senkrechten iiezu^sacliso übereinander angeordnet sind, wobei
als Strahlungseraeugun^seinrichtung sowohl je ein Festkörperlaser als auch je ein Gaslaser Verwendung findet, dadurch
gekennzeichnet , daß sich beide Ringlaser aufgrund ihrer unmittelbaren konstruktiven Nachbarschaft in bestmöglichem thermischen kontakt befinden, daß längs des gesamten oder eines Teiles des kesonatorumfangs Temperatursensoren (T₁^, Tg, Tt) angeordnet sind, die den piezoelektrischen Resonatorabgleich steuern, und daß Verlustmodulatoren (M₄, M_n) ein

periodisches Umschalten des Umlaufsinnes der Wanderwellen
steuern.

2. La-ergyroskop nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeich net, daß als sogenannte aktive Elemente Cüg-Wellenleiterlaser (R₄, R„) Verwendung finden.

3. Lasergyroskop nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e kennzeichne t , daß die Ringlaser (10, 11) mit
ihren Modulatoren (l6) zwischen dünne Schichten (12) aus
Cervit, ULL-Quarz oder einem anderen hoch-temperaturstabilen

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Material ^elc^t sind, an denen die ''"omp c-r a tür fühl er (1.3) angeordnet- sind.

4. Lasr.rjryroskop nach Anspruch 1, dadurch g e k e ii η -

ζ e i c. h ii et, daß als sogenannte aktive F.lcinciit-e. Fest« körpor-Wellenleiterlaser (R.., R₀) Verwt.:iidvn'i<; fini'eii.

5. Laser gyroskop nach den Am;px^-üchen 1 und 4, dadurch g e kenn 2i eic-Ii η c t , daß die iiinglaser (102, IO3) zwischen dünne Schichten aus Ccrvit, l-LK-iiuarz. oder oiriem anderen hoch-'teinperaturstabileii Jiatcrial gelegt sind. in denen die Tomperaturfühler (lü-l) aiigeoivlnct sind»

6. Lasergyroekop nach den Anspri.ich.cn 1, 4 vnr. ^, dadurch g e k e η η ζ e ic h η e t , daß Lei Verivendun^ von Festkörperlasern die Ringlaser (102, lv.'3) tiad die Trennschichten (ΐί-Ί) mit den Temperaturfühlern in. "integrierter üptik-Bauweise¹¹ und vorzugsweise aus geeigneten iSi hoher thermischer" Stabilität ausgeführt sind.

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