DE2538287A1

DE2538287A1 - Laserkreisel

Info

Publication number: DE2538287A1
Application number: DE19752538287
Authority: DE
Inventors: Raymond Goldstein; Reuben S Krogstad; Lake Utah Salt; Richard W Shorthill; Victor Vali
Original assignee: University of Utah
Current assignee: University of Utah
Priority date: 1974-08-29
Filing date: 1975-08-28
Publication date: 1976-03-18
Also published as: CH589296A5; US4013365A; JPS5147385A; FR2283424B3; CA1053784A; FR2283424A1; IT1044432B

Description

PATENTANWALT
D-PL- iNG.

6 Frc·::k(Wf er; -..J₅₁-, -'-}

27. August 1975 Gzw/Wa.

The University of Utha, Salt Lake City 84112, U. S. A.

Laserkreisel

Eine sehr dramatische Entwicklung in der optischen Technologie ist der Laserkreisel; er verbindet die Eigenschaften des optisehen Oszillators, des Lasers mit allgemeiner Relativität und stellt dadurch einen Mess-Kreisel dar. Der Laserkreisel mißt Wegdifferenzen von weniger als 10 A* und Frequenzänderungen von weniger als 0,1 Hz (das ist eine Präzision von besser als 1 zu 10 ⁵); wegen dieser Genauigkeit ist der Kreisel in der Lage, Änderungen in der Rotationsgeschwindigkeit zu erfassen, die weniger als 0,1 Grad pro Stunde betragen.

Bekannte derartige Instrumente bestehen einfach aus einem Laser, der drei oder mehr Reflektoren-besitzt, die so angeordnet sind, daß sie eine bestimmte Fläche umschließen. Die drei Spiegel, zusammen mit dem lichtverstärkenden Material im Laserpfad, bilden einen Oszillator (Laser). Tatsächlich sind es zwei Oszillatoren, nämlich einer, dessen Energie im Uhrzeigersinn umläuft und ein anderer, dessen Energie gegen den Uhrzeigersinn umläuft, jeweils entlang des selben Hohlraumes. Die Frequenzen, mit denen diese Oszillatoren arbeiten,sind bestimmt durch die optische Weglänge des von ihnen durchlaufenen Hohlraumes. Um die Schwingung aufrechtzuerhalten, müssen zwei Bedingungen erfüllt sein: Der Verstärkungsfaktor muß sich an der Einheit von bestimmten Leistungspegeln, wie sie durch das verstärkende Medium vorgegeben werden, orientieren, und die Anzahl der Wellenlängen in dem Hohlraum muß exakt eine ganze Zahl sein (d.h. die Phasen- -

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Verschiebung entlang des Hohlraumes muß Null sein). Um die erste Bedingung einzuhalten, muß die Laserfrequenz so sein, daß das verstärkende Medium eine genügende Verstärkung hat, um die Verluste an den Reflektoren oder anderen Elementen im Laserweg auszugleichen. Zusätzlich muß die Wellenlänge ein exaktes ganzzahliges Vielfaches des Weges entlang des Hohlraumes sein. Diese letzte Bedingung bestimmt dann die Oszillationsfrequenz des Lasers.

1.Wennsich der geschlossene Ring im Inertialraum dreht, dann haben die im Uhrzeigersinn und gegen Uhrzeigersinn laufenden Wege verschiedene Längen. Die Wegdifferenzen in diesen beiden Richtungen veranlassen die beiien Oszillatoren,mit verschiedenen Frequenzen zu arbeiten. Die Differenz ist dabei proportional zu der Rotationsgeschwindigkeit des Ringes, da die Wegdiffe-

_ renz proportional zu der Trägheits-Rotationsgeschwindigkeit ist. Die Ausgangsgröße des Kreisels wird dadurch erhalten, indem man die Prequenzdifferenz zwischen den beiden Lasern erfaßt.

Die Laser-Kreisel-Anordnung besteht somit aus dem Verstärkungsmedium, den Reflektoren, die den Laserweg und die umschlossene Fläche bestimmen und einem Ausgangskreis zum Erfassen der Differenz zwischen den beiden Oszillatoren. Zum Messen von kleinen Längenänderungen wurde die Verwendung eines optischen Oszillators vorgeschlagen, bei dem die Abmessungen und die Länge des Hohlraumes die Oszillationsfrequenz bestimmen. Bei dieser Art und Weise werden kleine Längenänderungen umgesetzt in leicht zu messende Frequenzdifferenzen zwischen den Oszillatoren. Der Laserkreisel benützt zwei Oszillatoren mit hohen Frequenzen (3-5 x 10 Hz). Die exakten Frequenzen werden bestimmt durch

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die Länge der beiden Hohlräume, davon einer für die im Uhrzeigersinn und ein anderer für die im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Strahlung. Die Laseroszillatoren arbeiten bei Lichtfrequenzen und, wie bei allen Oszillatoren, muß ein Verstärkungsmechanismus derart.angeordnet werden, daß die Verluste kompensiert werden. Der Oszillator muß weiterhin bei einer Frequenz arbeiten, die so bestimmt ist, daß die Phasenverschiebung für einen Umlauf des Hohlraumes Null ist. Zusätzlich zu den Oszillatorbedingungen hinsichtlich der Verstärkung und der Verluste muß somit auch die Bedingung der Null—Phasenverschiebung berücksichtigt werden. Man kannauch sagen, daß die Zahl der Wellenlängen in dem Hohlraum eine ganze Zahl sein muß. In dem Laserkreisel beträgt diese ganze Zahl einige Millionen. Viele Frequenzen genügen diesen Bedingungen der Null-Phasenverschiebung, jedoch werden sie getrennt durch einen Betrag, der sich aus dem Wert c/L zusammensetzt, wobei c die Geschwindigkeit des Lichtes und L die Gesamtlänge des Hohlraumes beträgt. Für eine Gesamtlänge von einem Meter ist die Frequenztrennung 300 MHz.

Die Längendifferenzen in den beiden Wegen entsprechend den Trägheits-Rotationsänderungen verursachen eine Differenz in den Frequenzen der beiden Oszillatoren, wogegen physikalische Änderungen in der Länge verursacht durch Temperatur, Vibration usw. keine Frequenzänderung bedingen. Die fundamentale Randbedingung ist, daß.die Laser wellenlänge, Λ. gleich sein muß der optischen Weglänge entlang des Hohlraumes.Anders ausgedrückt, die Länge des Hohlraumes ist gleich einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen. N sei diese ganzzahlige Anzahl, die sich typisch in dem Bereich von 10⁵ bis iO bewegt und damit ist die Länge L des Hohlraumes gegeben durch folgende Formel:

(1)

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Eine Längenänderung von A L verursacht eine Wellenlängenänderung gemäß folgende Formel:

Δ A = Al (2)

Die entsprechende Frequenzänderung, f, ist gegeben durch die Beziehung:

Af AL

(3)

Die vorstehenden Beziehungen lassen erkennen, daß für gegebene kleine Längenänderungen /S. L und vernünftige Hohlraumlängen L die Arbeitsfrequenz so hoch wie möglich sein sollte.

Die Beziehung zwischen der Winkelgeschwindigkeit Co und der auftretenden Längenänderung AL ist gegeben durch die Formel:

Δ L = IAS? (4)

Die Beziehung zwischen AAl und6) bezogen auf Kreiselgröße und Wellenlänge erhält man durch Einsetzen der Gleichung (5)in die Gleichung (k) mit dem Ergebnis:

(5)

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Dieses Konzept bildet die Basis für die neue Entwicklung in konventionellen Laserkreiseln, wobei die auftretende Längenänderung des Laserhohlraumes eines Ringlasers sich in einer Verschiebung der Laserfrequenz ausdrückt, bzw. in dem Auftreten einer Schwebungsfrequenz zwischen den beiden gegenläufig verlaufenden Laserstrahlen. Die Schwebungsfrequenz ist meßbar und sie zeigt die winkelmäßige Änderung der Rotation des Laserhohlräumes um eine Achse an. Zusätzlich zu den grundlegenden Ausführungen darf noch auf den Aufsatz in IEEE SECTRTOl, Oktober 1967, Seiten hh bis 55 mit dem Titel "The Laser Gyro", Joseph Killpatrick hingewiesen werden.

Aus der vorgenannten Beziehung, Gleichung 5» kann leicht entnommen werden, daß, um die Schwebungsfrequenz .Δ f für eine gegebene Rotationsgeschwindigkeit zu erhöhen es notwendig ist, die umschlossene Fläche A zu vergrößern.

Die Vergrößerung dieser von dem Ringlaserhohlraum umschlossenen Fläche hat jedoch bestimmte Grenzen, soweit es die praktische Anwendung des Laserkreisels betrifft. Im Speziellen ist die Vergrößerung der Fläche, die von einem Laserhohlraum umschlossen wird, der von einem festen Quarz- Block hergestellt ist, unpraktisch gegenüber den üblichen Laserkreiseln, die nämlich generell wirtschaftlich aus einem festen Quarz- Block hergestellt werden. In diesem Fall, sind drei verschiedene Ringlaserhohlräume in den Quarz eingearbeitet, jeweils für eine der drei Koordinatenachsen, damit der Laserkreisel in allen drei Koordinatenrichtungen arbeiten kann. Quarz ist im Hinblick auf seinen niedrigen Temperaturkoeffizienten das bevorzugte Material für die Herstellung und deshalb steigen die Kosten mit ansteigenden Größen der Quarzstrukturen stark an.

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Andere der besagten Begrenzungen beziehen sich auf Faktoren wie z.B. die Unterbringung der großen Kreisel in Fahrzeuge, Temperaturänderungen in den Kreiselträgern, Strukturen (daher der Vorzug für Quarz) und andere Änderungen verursacht durch lokale Trägerstörungen, so z.B. Mikroerdbeben usw. Diese Faktoren sind von Bedeutung, da der verbesserte Laserkreisel nach der Erfindung ebenfalls als Geschwindigkeitsmesser nützlich ist und für die Bestimmung extrem kleinen Rotationsgesehwindigkeiten und Rotationsgeschwindigkeitsänderungen, z.B. zum Messen der PolSchwankungen, Ebbe und Flut, kontinentaler Drift der Änderung der Länge des Tages, usw.

Im Hinblick auf diese geringaiRotationsgeschwindigkeiten sind in die Überlegungen ein wichtiger Effekt einzubeziehen, der als "Zieheffekt" ("pulling") bekannt geworden ist, worunter ein Phänomen verstanden wird, das auftritt, wenn die Schwebungsfrequenz weniger als 100 Hz ist. Dieses Ziehen drückt sich seinerseits in einer Änderung der Frequenz aus, die unabhängig von der Rotationsgeschwindigkeit ist, was natürlich inherenter Mangel der bekannten Laserkreisel ist. Dieses sogenannte Ziehen kann dadurch verringert werden, indem mal/entweder die von dem Laserhohlraum umschlossene Fläche vergrößert, so wie sie vorhergehend beschrieben wurde oder indem man extern die Rotationsgeschwindigkeit um einen bekannte Betrag erhöht und diesen später bei der Ermittlung der wahren Rotationsgeschwindigkeit wieder abzieht.

Im Hinblick auf das Vorhergenede ist es verständlich, daß eine andere und relativ einfache Einrichtung gebraucht wird, um die von den gegenläufig umlaufenden Laserstrahlen umschriebene effektive Fläche zu vergrößern, um dadurch eine verstärkte meßbare Differenz zwischen den gegenläufigen Strahlen herzu- -

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stellen, bezogen auf die Einheit der Winkelrotation der Fläche.

Die Erfindung bezieht sich somit auf einen verbesserten Laserkreisel, bzw. auf ein neues Verfahren, wobei das optische Führungssystem für die Laserstrahlen wesentlich vereinfacht und die Entfernung, die durch die gegenläufigen Strahlen der Laserstrahlung zurückgelegt Airerden, vergrößert ist, um eine größere Empfindlichkeit zu gewährleisten,und zwar sowohl im Hinblick auf die Schwebungsfrequenz oder im Hinblick auf die Verschiebung von Interferenzstreifen, die als Folge der Rotation des Kreisels eintritt. In einer bevorzugten Ausführungform wird eine einzige Windung einer Lichtleitfaser als Laserhohlraum verwendet, wobei diese Lichtleitfaser von einer sehr ausgedehnten Länge sein kann, um die Empfindlichkeit der Einrichtung in bezug auf die Schwebungsfrequenz zu erhöhen. Alternativ kann die einzige Spule der Lichtleitfaser als Laserlichtweg für extern eingeführtes Laserlicht, und zwar als Ringinterferometer benutzt werden.

Die Lichtleitfaser kann darüber hinaus als Laserlichtweg mehrfach um besagte Flächen gewickelt sein, um auf diese Weise einen vergrößerten Weg für die Laserstrahlung vorzugeben, was eine erhöhte Empfindlichkeit der Einrichtung im Hinblick auf die entstehende StreifenverSchiebung zur Folge hat. Ein gewundener Laserlichtweg kann ebenfalls vorzugsweise durch eine Vielzahl von Spiegeln vorgegeben werden, die nacheinander das Laserlicht auf einem Weg entlang der Peripherie der Fläche reflektieren.

Es ist daher die bevorzugte Aufgabe der Erfindung, die bestehenden Laserkreisel zu verbessern. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Wegstrecke, die von dem Laserlicht zurückgelegt wird, zu vergrößern, um damit die Empfindlichkeit des Laserkreises zu steigern.

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Ein anderes Ziel der Erfindung ist es, Lichtleitfasern als Laserhohlraum vorzusehen. Es ist außerdem ein Ziel, einen Laserkreisel vorzusehen, bei dem das Laserlicht veranlaßt wird, die Peripher je der Fläche mehrfach zu durchlaufen, d.h. ein Ring-Inter f er omet er.

Schließlich ist ein Ziel der Erfindung darin zu sehen, eine Methode anzugeben, mit der die Empfindlichkeit eines Laserkreisels verbessert wird.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung ergeben sich anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispieles mit einer einzigen Schleife einer Lichtleitfaser als Laserhohlraum eines Ringlasers,

Fig. 2 eine schematische perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer Vielzahl von Schleifen einer einen Weg für das Laserlicht vorgebenden Lichtleitfaser, ein Ring-Interferometer, und

Fig. 3 eine schematische perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der Spiegel den gewundenen Pfad für das Laserlicht bilden.

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_ ο —

Gleiche Teile sind dabei in den einzelnen Figuren mit den gleichen Ziffern bezeichnet.

Bevor auf die Figuren im einzelnen Bezug genommen wird, seien folgende allgemeine Bemerkungen vorangestellt: Die vorliegende Erfindung ist so ausgebildet, daß sie entweder als Ring-Laser oder als Ring-Interferometer mit bestimmten Änderungen zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Ring-Interferometers benutzt werden kann.

Der Ring-Laserkreisel nach der Erfindung weist eine einzelne Windung einer Lichtleitfaser auf, die dazu benützt wird, optisch das eine Ende des Verstärkungsmediums mit dem anderen Ende zu verbinden, um dadurch den Laserhohlraum des Ring-Lasers zu komplettieren. Die Lichtleitfaser wird ferner dazu benutzt, um die besagte Fläche zu umschreiben,und sie kann dabei von einer ausgedehnten Länge sein, um die umfaßte Fläche zu vergrössern. Die Strahlungsenergie, die von dem Verstärkungsmedium ausgestrahlt wird, wird zu der Laserstrahlung in dem Laserhohlraum mit der Frequenz der Laserstrahlung, die durch die Länge des Hohlraumes vorgegeben wird, so wie es eingangs erläutert wurde. Eine Rotation des Hohlraumes wirkt sich in einer Längenänderung des Hohlraumes aus, die sowohl von dem im Uhrzeigersinn als auch von dem gegen den Uhrzeigersinn laufenden Laserstrahl empfunden wird mit dem Ergebnis einer Frequenzänderung für jeden. Indem man einen Teil von jedem Laserstrahl entnimmt, und diese beiden Teile kombiniert, löschen sich die beiden Frequenzen zyklisch aus bzw. beeinflußen sich beide und entwik- keln dabei eine Schwebungsfrequenz. Diese Schwebungsfrequenz wird dann durch einen geeigneten Anzeiger dargestellt und stellt eine Anzeige für die Rotationsgeschwindigkeit des Ring-Laserkreises dar.

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In der alternativen Ausführungsform der Erfindung wird die Laserstrahlung gegenläufig in ein Ring-Interferometer eingespeist, das die besagte Fläche umfasst. Das Ring-Interferometer wird durch eine oder mehrere Windungen einer Lichtleitfaser gebildet oder durch mindestens drei reflektierende Oberflächen, die das Laserlicht mehr als einmal entlang der Peripherie der besagten Fläche reflektieren. Das Laserlieht wird aufgeteilt, bevor es in das Ring-Interferometer eintritt,und das Ring-Interferometer bildet ein Interferenzmuster zwischen den aufgeteilten, gegenläufig umlaufenden Laserstrahlen. Die Interferenz beruht auf der Überlagerung der beiden Laserstrahlen, wobei sich die Überlagerungseffekte in einem Streifenmuster ausdrücken. Dieses Streifenmuster ist durch konventionelle Anzeigegeräte darstellbar, wenn zwei Strahlen der Lasei"strahlung nach ihrem Austritt aus dem Ring-Interferometer kombiniert werden.

Da die Quelle für die Laserstrahlung außerhalb des Ring-Interferometers liegt, bleibt die Frequenz der Laserstrahlung konstant. Wegen dieser konstanten Frequenz, d.h. weil die Zahl der Schwingungen pro Zeiteinheit konstant ist, wirkt sich eine Änderung in der Länge des Laserlichtweges infolge der Rotation des Ring-Interf erometers in einer größeren oder in einer geringeren Zahl von Schwingungen pro Zeiteinheit in jedem Laserlichtweg aus. Entsprechend bewirkt also die Rotation des Ring-Interferometers eine Änderung der Zahl der Schwingungen der Laserstrahlung, die in den gleichen physikalischen Weg des Ring-Interferometers eingegeben werden. Die Überlagerung beider Wege drückt sich in dem Streifenmuster aus, das in der einen oder anderen Richtung sich verschiebt, abhängig davon, in welcher Richtung das Ring-Interferometer rotiert. Die Größe der Streifenverschiebung ist eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des Ring-Interferometers.

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Das Ring-Interferometer hat den zusätzlichen Vorteil, daß bei kleinen Rotationsgeschwindigkeiten kein totes Frequenzband existiert, wie es sich bei dem Ring-Laser darstellt.

Jedes der vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der Erfindung ist mit einem optischen System versehen, das die Laserstrahlung veranlaßt, besagte Flächen zu umschließen; dieses System kann beispielsweise

1. eine Lichtleitfaser sein, die längs der Peripherie der effektiven Fläche aufgewunden ist, und zwar a) mit einer Windung, wobei sie dann entweder als Laserhohlraum, oder als Ring-Interferometer dient, oder b) mit mehreren Windungen, wobei sie als Ring-Interferometer dient, oder

2. kann das optische System Spiegel aufweisen, die nacheinander <las Laserlicht mehrfach entlang der effektiven Fläche des Ring-Interferometers reflektieren.

Wenn eine einzige Windung einer Lichtleitfaser als Ring-Laser verwendet wird, wird ein Laser-Medium direkt in die Lichtleitfaser eingeschaltet, so daß die Lichtleitfaser Teil des Laserhohlraumes ist. Ein Verstärkermedium, beispielsweise eine mit Neodym dotierte Faser, wird mit konventioneller Technik angeregt, derart, daß sie veranlaßt, daß die erzeugte Laserstrahlung in dem Laserhohlraum in gegenläufigen Richtungen erzeugt wird. Ein kleiner Teil jeder Laserstrahlung in dem Laserhohlraum wird aus diesem Hohlraum ausgeblendet und kombiniert; das kombiniei"te Licht dient als Eingangsgröße für ein Anzeigegerät, das die Schwebungsfrequenz erfaßt. "

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Für die Ausführungen mit dem Ring-Interferometer wird extern erzeugtes Laserlicht gegenläufig in das Ring-Interferometer eingespeist, und zwar mittels geeigneter Optiken, wobei die Streifenverschjebung durch eine konventionelle Technik angezeigt wird. Die externen Laser enthalten in üblicher Weise noch eine Vielzahl von konventionellen Einrichtungen.

Nun zur Fig. 1; die Bezugsziffer 10 bezeichnet generell den Ring-Laser-Kreisel, der eine Windung einer Lichtleitfaser 12 aufweist, in die in einem Abschnitt ein Verstärkungsmedium eingearbeitet ist. Dieses Verstärkungsmedium erzeugt Laserstrahlen, die gegenläufig durch die Lichtleitfaser 12 laufen, wobei ein Teil der Strahlung in jeder Richtung als Strahlen 18 und ausgeblendet wird. Zu diesem Zweck dient ein teildurchlässiger Teiler 16, der in der Lichtleitfaser 12 angeordnet ist und in kleinen Teilen jede Laserstrahlung als Strahlen 18 und 24 ausblendet. Der Strahl 18 wird dabei mittels eines Spiegels 20 zu einem Strahlenteiler 22 reflektiert, wo er mit dem gegenläufigen Strahl 24, der durch den'Spiegel 26 auf den Strahlenteiler 22 reflektiert wurde, kombiniert wird.

Der Strahlenteiler 22 kombiniert jeden Strahl 18 und 24 in einen kombinierten Strahl 28, wobei die auftretende Schwebungsfrequenz zwischen den beiden Strahlen 18 und 24 durch ein. konventionelles Anzeigegerät 30 angezeigt wird.

Die Beziehung zwischen der vom Anzeigegerät 30 gemessenen SchwebungsfrequenzAf und der Winkelgeschwindigkeit CJ ist gegeben durch die Formel ·

Λ ψ -

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_ 13 -

Aus Vorstehendem ergibt sich offensichtlich, daß, um die Empfindlichkeit des Laser-Kreisels 10 zu erhöhen, es notwendig ist, die Fläche A zu vergrößern, die durch die Faser 12 umschlossen wird.

Beispielsweise könnte man daran denken, eine einzelne Schleife einer Lichtleitfaser, die den Laserhohlraum darstellt, dazu benutzen, um eine ausgedehnte Fläche zu umfassen, z.B. eine solche, die eine Seitenlänge von 10 Metern besitzt. Offensichtlich würde eine derartige Einrichtung als Kreisel für die meisten Fahrzeuge sehr unpraktisch sein. Als geophysikalischer Kreisel würde diese Einrichtung allerdings sehr brauchbar sein und besäse eine theoretische Genauigkeit in der Größenordnung von Bruchteilen eines Zentimeters pro Jahr. Eine derartige Genauigkeit würde das Instrument dazu prädestinieren, um beispielsweise folgende Phänomene zu messen: Schrumpfungen in der Tageslänge, Verschiebung der Kontinente, Schwankungen in der Polachse, Erd-Gezeiten.

Alternativ kann die eine einzige Windung einer Lichtleitfaser 12 als Ring-Interferometer benutzt werden, und zwar zur Erzeugung einer ei'faßbaren Streifenverschiebung. In diesem Fall wird eine extern erzeugte Laserstrahlung gegenläufig in das Ring-Interferometer eingespeist und wieder daraus entnommen, wobei die Art und Weise sich im wesentlichen aus der Beschreibung der Fig. 2 ergibt, die sich nunmehr anschließt.

Ein Anstieg in den Laserlicht-Wegdifferentialen und entsprechenden größeren Streifenverschiebung als zwischen zwei gegenläufig laufenden Strahlen von Laserlicht (und damit eine Erhöhung der Empfindlichkeit des Instrumentes) läßt sich durch einen Anstieg

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in der Länge des Laserlichtweges erreichen. Die Vergrößerung der Länge wird vorzugsweise in eiaer kompakten Bauform erreicht, indem man ein Ring-Interferometer aus einer Glasfaser entsprechend der Positionsziffer 40 in Fig. 2 bildet, d.h. indem man die Glasfaser mehr als einmal um die besagte Fläche windet. Um schädliche Temperatureffekte zu vermeiden, wird die Glasfaser auf einen nicht dargestellten Kern gewunden, wobei dieser Kern vorzugsweise aus einem Quarz oder einem anderen Material mit einem niedrigen Temperaturkoeffizienten hergestellt ist.

Das Ring-Interferometer dieser zweiten Ausführungsform der Erfindung besteht aus einer Lichtleitfaser—Anordnung 40, die eine Vielzahl von Schleifen 41 bis 44 aufweist, wobei Enden 36 und 38 vorgesehen sind, die optisch mit einem Strahlenteiler 46 gekoppelt sind. Die optische Koppelung ist durch eine konventionelle Technik verwirklicht sie ist schematisch durch Linsen 48 und 50 jeweils für ein Ende 36 bzw. 38 der Glasfaseroptik 40 bewirkt.Die Einrichtung wird vervollständigt durch ein Anzeigegerät 64 zur Anzeige der Streifenverschiebung, hervorgerufen durch die beiden gegenläufig laufenden Laserstrahlen in der Lichtleitfaser 40.

Wenn das Gerät in Betrieb ist, wird ein Strahl 62 der Laserstrahlung des Lasers 66 durch den Strahlenteiler 46 in einen ersten und einen zweiten Laserstrahl 56 bzw. 58 aufgeteilt. Jeder der Strahlen 56 und 58 wird durch eine Linse 48 bzw. 50 gebündelt, um auf diese Weise gegenläufig in die Lichtleitfaser 40 eingespeist zu werden.

Umgekehrt werden Laserstrahlen 52 und 54t, die aus den Enden 36 bzw. 38 austreten, durch die Linsen 48 bzw. 50 auf den Strahlenteiler 46 gebündelt. Der Strahlenteiler 46 vereinigt das aus-.

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tretende Laserlicht zu einem Kombinationsstrahl 60, der von einem konventionellen Anzeigegerät 6k empfangen wird, das jede Streifenänderung zwischen den beiden Laserstrahlen anzeigt. Die StreifenverSchiebung entwickelt sich zwischen den beiden gegenläufigen Strahlen als eine Folge der Rotation der Ebene der Glasfaseroptik- hO.

In einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, eine einzige Windung einer Lichtleitfaser entsprechend Fig. 1 sich mit einem Laser und einem Anzeigegerät gemäß Fig. 2 zu verbinden, wobei die Empfindlichkeit der Anzeige der Streifenversehiebung als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit geringer ist.

Obgleich in Fig. 2 zum Zwecke der einfachen Darstellung eine ausgezogene schraubenförmige Lichtleitfaser 40 als Ring-Interferometer dargestellt ist, können auch andere Spiralen, einschließlich einer ebenen Spirale verwendet werden, μ beide Laserstrahlen auf einem Weg entsprechend einem ganzzahligen Vielfachen von 360° zu führen.*Wesentlich ist, daß eine höhere Empfindlichkeit des Laser-Kreisels erhalten werden kann, indem man die effektive Länge, die von dem Laserlicht zurückgelegt wird, vergrößert. Dieser Längenzuwachs auf einem begrenzten Bereich ist dadurch möglich, daß man die Lichtleitfaser kO mehr als einmal um die besagte Fläche windet.

Beispielsweise ist eine Lichtleitfaser, die tausendmal mit einem Radius von 15 cm aufgewickelt wurde, 900 Meter lang. Wenn die Dämpfungs-Charakteristik der Lichtleitfaser zwei Dezibel pro Kilometer oder eine Dämpfungsziffer von 0,66 ist, so bedeutet dies, daß 60 fo des ausgesendeten Lichtes in der Lichtleitfaser festgehalten werden, und daß nur ein Teil an das Interferometer, d.h.

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die Anzeigeeinrichtung übertragen wird. Bei einer Lichtleitfaser mit einer Dämpfung von 20 Dezibel pro Kilometer werden nur 1,6 $ des Lichtes in der Lichtleitfaser festgehalten.

Wesentlich ist, daß dieser Typ des Ring-Interferometers, bei dem die Streifenverschiebung angezeigt wird, nicht ein sogenanntes totes Band aufweist, das von dem sogenannten "mode pulling" herrührt, wie Erfahrungen mit dem Ring-Laser-Kreisel, der die Schwebungsfrequenz anzeigt, entsprechend der Anordnung nach Fig. 1 gezeigt haben.

Die Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Ring-Interf erometers nach der Erfindung; ebenfalls in schematisch perspektivischer Darstellung. Das Ring-Interferometer ist ganz allgemein mit der Bezugsziffer 80 bezeichnet. Eine Vielzahl von Spiegeln 82, 84, 86 und 88 sind im einzelnen so geneigt angeordnet, daß sie die Strahlen 90 bis 93 des Laserlichtes nacheinander entlang der Peripherie des Ring-Interferometers 80 reflektieren. Dadurch, daß üie Strahlen 90 bis 93 des Laserlichtes gezwungen werden, den Umfang des Ring-Interferometers 80 mehrfach'zu durchlaufen, kann der Weg des Laserlichtes überraschenderweise auf einem relativ begrenzten Raum vergrößert werden. Die Verlängerung des Laserlichtweges bewirkt einen Anstieg in der Empfindlichkeit des Instrumentes bezüglich der Anzeige der Streifenverschiebung, die abhängig von der Winkelrotation des Ring-Interferometers 80 um seine Achse auftritt.

Vorzugsweise reflektiert jeder Spiegel 82, 84, 86 und 88 nacheinander jeden Strahl des Laserlichtes auf einen aufeinanderfolgend verschiedenen Punkt auf den benachbarten Spiegel, so daß die Strahlen des Laserlichtes quasi entlang der Peripherie

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des Ring-Interferometers 80 aufgewunden werden.

Der Spiegel 82 ist an bestimmten Stellen kurzer gehalten und erlaubt somit einem oberen und einem unteren Strahl von Laserlicht 96 und 98 auf Spiegeln 104; bzw. IO6 zu gelangen, von wo aus sie auf einen Strahlenteiler 102 reflektiert werden. Die Spiegel 104 und I06 und der Strahlenteiler 102 bilden einen Teil einer optischen Eingabe- und Ausgabevorrichtung, die mit der Ziffer 100 bezeichnet ist. Der Strahlenteiler 102 ist mit jedem Spiegel 104 bzw. 106 so koordiniert, daß er analog zu dem Strahlenteiler 46 der Fig. 2 das Laserlieht des Lasers 108 aussendet, bzw. Laserlicht auf den Anzeiger 110 reflektiert.

Der Laser 108 sendet einen Strahl 112 von Laserlicht aus, der durch den Strahlenteiler 102 in zwei Laserstrahlen 114 und aufgeteilt wird, die später durch Spiegel 106 und 104 derart abgelenkt werden,daß die geteilten Laserstrahlen gegensätzlich auf den Laserstrahlpfad 90 bis 93 gegeben werden. Die austretenden Strahlen des Laserlichtes gelangen anschließend wieder auf den Strahlenteiler 102, von wo sie auf die Anzeige 110 übertragen, bzw. reflektiert werden, und zwar als kombinierter Strahl 118. Die Anzeigevorrichtung 110 mißt die Streifenverschiebung zwischen den aufgeteilten Strahlen des Laserlichtes 114 und 116, kombiniert im Strahl 118.

Auf die vorstehende Art und ¥eise wird der gleiche physikalische Weg von jedem der beiden gegenläufig verlaufenden Strahlen des Laserlichtes zurückgelegt. Obwohl die physikalischen Abmessungen des Ring-Interferometers konstant bleiben, wird eine Rotation der von den Laserstrahlen umschlossenen Fläche als Änderung in der Weglänge für jeden der Laserstrahlen augenscheinlich

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angezeigt,wobei die Änderungen in der Weglänge als Streif enver-scliiebung zwischen beiden Strahlen anzeigbar sind.

Die Anzeige 110 kann eine beliebige Zahl von konventionellen Fotoempfängern enthalten, die geeignet sind, das von den beiden Laserstrahlen erzeugte Streifenmuster zu erfassen und anzuzeigen.

Die auftretende Wegdifferenz, die eine Streifenverschiebung bewirkt, A Z, und zwar bezogen auf die gegenläufig verlaufenden Strahlen des Laserlichtes in den Einrichtungen nach den Fig. 2 und 3 wird durch folgende Formel beschrieben:

wobei N die Anzahl der Windungen (Spulenwindungen kl bis k*i) ist.

Das Verfahren nach der Erfindung läuft im Prinzip darauf hinaus, eine Fläche mit gegenläufig verlaufenden Laserstrahlen zu umschließen und irgendeine auftretende Differenz zwischen beiden anzuzeigen. Diese Differenzen sind entweder (l) die Schwebungsfrequenz oder (2) die Verschiebung des Streifenmusters, je nachdem, mit welcher Einrichtung die Laserstrahlen die besagte Fläche einschließen.

Die Schwebungsfrequenz ist leicht und relativ billiger erhaltbar als die anzeigbare Differenz, wenn eine einzelne Schleife einer Lichtleitfaser mit der Lasereinrichtung als Laserhohlraum verbunden ist. Eine Rotation der Ebene des Laserhohlraumes um seine Achse empfindet die Laserstrahlung in jeder Richtung in dem Hohlraum als eine Längenänderung des Hohlraumes. Diese auftretende Längenänderung verursacht wiederum eine Frequenzänderung für

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jeden Laserstrahl , die sich durch eine Schwebungsfrequenz zwischen beiden Strahlen ausdrückt. Dieses Phänomen ist natürlich bereits die Basis für die bekannten Laser-Kreisel.

Die vorliegende Erfindung zeichnet sich demgegenüber in wesentlicher Weise dadurch aus, daß sie eine einzige Schleife einer Lichtleitfaser, vorzugsweise von großer Länge vorsieht, die eine größere Fläche umschließt und die als Laserhohlraum in Verbindung mit einem eingeschalteten Verstärkungsmedium dient. Die An-■ zeige der Schwebungsfrequenz wird dadurch verwirklicht, indem man einen Teil der Laserstrahlung aus dem Hohlraum herausnimmt und auf eine geeignete Anzeigevorrichtung bringt.

Eine Streifenverschiebung ist ebenso leicht erhaltbar mit verstärkter Empfindlichkeit, indem man ein Ring-Interferometer für Laserstrahlen vorsieht, derart, daß die Laserstrahlen den besagten Bereich mehr als einmal durchlaufen. Das Ring-Interferomsfcer ist vorzugsweise um den besagten Bereich aufgewunden, um einen möglichst großen Laserliehtweg auf relativ begrenztem Raum zu erhalten.Wenigstens zwei Ausführungsformen der Erfindung sind im wesentlichen vorgesehen, um die vorliegende Methode nach der Erfindung zu verwirklichen. Diese Ausführungsformen weisen (l) Lichtleitfasern und (2) Spiegel auf, um in Verbindung mit dem Ring-Interferometer die Erfindung zu verwirklichen. Durch einen einzelnen externen Laser wird das .Laserlieht zur Darstellung der Streifenverschiebung in dem Ring-Interferometer erzeugt. Die Laserstrahlung wird aufgespalten und später gegenläufig durch das Ring-Interferometer geführt. Die austretende Laserstrahlung wird gemis cht und dient als Eingangsgröße für einen konventionellen Detektor, der geeignet ist, Verschiebungen der Interferenzstreifen festzustellen, die als ein Ergebnis der Winkelrotation der Ebene des Ring-Interferometers auftreten.

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Kurz und zusammenfassend dargestellt betrifft somit die Erfindung eine Einrichtung zum Bestimmen der Rotation einer Fläche und schließt eine optische Einrichtung ein, die optisch diese Fläche umfasst, um damit Laserstrahlung gegenläufig entlang der umschlossenen Fläche zu führen. Die Differenzen zwischen den beiden gegenläufig laufenden Laserstrahlen, die als Funktion der Rotation des Bereiches auftreten, werden angezeigt, um somit die Rotation der Fläche zu "bestimmen. Die optische Einrichtung weist eine Lichtleitfaser auf, die einmal als Laserhohlraum oder als Ring-Interferometer dienen kann. Das Ring-Interferometer kann schließlich auch durch mindestens drei reflektierende Oberflächen ausgestaltetwerden.

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Claims

Patentansprüche

U i. !Einrichtung zur Bestimmung der Rotation einer Fläche gekenn- \._/zeichnet durch eine Lichtleitfaser, die die Fläche η χ 36θ° umfaßt,

ein Verstärkungsmedium, das optisch mit der Lichtleitfaser gekoppelt ist,

durch Mittel zum Fortpflanzen von Laserstrahlung in der Lichtleitfaser,und zwar einmal im Uhrzeigersinn und einmal gegen den Uhrzeigersinn,

durch Mittel zum Abnehmen eines Teiles der Strahlung in beiden Richtungen aus der Lichtleitfaser,

durch Mittel zum Kombinieren der abgenommenen Laserstrahlung, und

durch Anzeigemittel zum Ermitteln der Differenz zwischen den bei.den gegenläufig verlaufenden Strahlen, wobei diese Differenz eine Funktion der Rotation der Ebene ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß η gleich eins ist.

3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser einen Laserhohlraum hat (12) in Verbindung mit einem Verstärkungsmedium (lh).

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k. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittel zum Empfangen eines Teils der Strahlung eine teildurchlässige Stelle (l6) in der Lichtleitfaser (12) aufweisen, wobei diese teildurchlässige Stelle einen Teil sowohl von der im Uhrzeigersinn, als auch gegen den Uhrzeigersinn verlaufenden Laserstrahlung aus der Lichtleitfaser heraus reflektiert.

5. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeigemittel ein Anzeigegerät für die Schwebungsfrequenz aufweisen.

6. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet ,daß die Lichtleitfaser den Weg für das Laserlicht bildet.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserlichtweg direkt optisch mit den Anzeigemitteln verbunden ist, wobei diese Mittel ein Anzeigegerät zum Anzeigen der Streifenverschiebung aufweist.

8. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß η größer als eins ist.

9. Einrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser einen Weg für das Laserlicht bildet, der optisch mit den Anzeigemitteln für die Streifenverschiebung zwischen den beiden gegenläufigen Strahlen gekoppelt ist.

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10. Einrichtung zum Bestimmen der Rotation einer Fläche gekennzeichnet durch optische Mittel zum optischen Umfassen einer Fläche η χ 36θ°, wobei η größer als eins ist,

ein Verstärkungsmedium, das optisch mit den optischen Mitteln gekoppelt ist,

durch Mittel zum Fortpflanzen von Laserstrahlung, durch j die optischen Mittel in einer Richtung mit dem Uhrzeigersinn und in einer anderen Richtung gegen den Uhrzeigersinn,

durch Mittel zum Entfernen eines Teiles der Laserstrahlung von jedem der gegenläufigen Strahlen aus den optischen Mitteln,

durch Mittel zum Kombinieren der entfernten Laserstrahlung, und

durch Mittel zum Anzeigen von Differenzen zwischen den beiden gegenläufigen Strahlen, wobei diese Differenz eine Funktion der Rotation der Fläche ist.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel mindestens drei reflektierende Oberflächen besitzen.

12. Einrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierenden Oberflächen einen Laserlichtweg bilden, und daß die Anzeigemittel einen Anzeiger für die Streifenverschiebung aufweisen.

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13. Einrichtung nach Anspruch iO, dadurch gekennzeichnet, daß die optischen Mittel eine Lichtleitfaser aufweisen.

lh. Einrichtiing nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser optisch mit den Anzeigemitteln gekoppelt ist, wobei diese Anzeigemittel einen Anzeiger für die Str.eif enverschiebung aufweist.

15. Verfahren zur Bestimmung der Rotation einer Fläche um eine Achse, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:

Anordnung eines Ring-Interferometers entlang der Peripherie der Fläche η χ 36θ ,

Führen der Strahlen eines ausgeteilten Strahles von Laserlicht gegenläufig durch das Ring-Interferometer,

Kombinieren der Strahlen der Laserstrahlung, wenn sie aus dein Ring-Interf erometer austreten ,und .... .

Anzeigen der Streifenverschiebung zwischen den kombinierten Strahlen des Laserlichtes mit einem Anzeiger, wobei die Streifenverschiebung eine. Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des Ring-Interferometers ist.

16. Verfahren zum Erhöhen der Streifenverschiebung als eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit zwischen zwei Strahlen von Laserlicht, die gegenläufig ein Ring-Interferometer durchlaufen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

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Anordnen eines Ring-Interferometers, das η χ 36θ um die Fläche gewunden ist, wobei η größer als eins ist,

Ausrichten der von einem Laser emittierten Strahlung auf einen Strahlenteiler, wobei dieser Strahlenteiler ungefähr die Hälfte des Laserlichtes reflektiert, während er die andere Hälfte durchläßt und dadurch zwei Strahlen von Laserlieht bildet,

Führen der beiden Laserstrahlen gegenläufig durch das Ring-Interferometer,

Ablenken der beiden Strahlen des Laserlichtes, die aus dem Ring-Interferometer austreten auf einen Strahlenteiler,

Kombinieren der_.beiden Strahlen.,des Laserlichtes mit dem Strahlenteiler, und

Messen der Streifenverschiebung zwischen den beiden Strahlen des Laserlichtes, die eine Funktion der Rotationsgeschwindigkeit des -Ring—Interferometers ist.

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