DE2749157B2 - Ringlaser-Gyroskop - Google Patents

Description

i 0,19

sin«

ist, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichtes und θ der Winkel zwischen der Auftrel'frichtung der Lichtstrahlen auf jeden Spiegel und einer senkrecht zur Spiegeloberfläche orientierten Ebene ist.

6. Ringlaser-Gyioskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler (44) aus einem Stapel von piezoelektrischen Elementen besteht.

Ringlaser-Gyroskope haben einen optischen Hohlraum mit geschlossenem Pfad, der ein aktives Laserstrahlen aussendendes Material zur Erzeugung zweier Lichtstrahlen aufweist, die in entgegengesetzten Richtungen längs des Pfades wandern. Die Differenz zwischen den Frequenzen des Lichtes in den Strahlen ist dabei ein Maß für die Drehgeschwindigkeit, die das Ringlaser-Gyroskop erfährt.

Die Erfindung bezieht sich auf derartige Ringlaser-Gyroskope mit wenigstens drei Spiegeln, die einen geschlossenen Pfad für den einen und den anderen von zwei Lichtstrahlen aufbauen, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen in einem aktiven Lasermedium des Gyroskops fortschreiten, und mit individuell betätigbaren Wandlern, deren jeder einen der Spiegel in Vibrationsbewegung versetzt.

Auf dem Gebiet derartiger Ringlaser-Gyroskope ist es bekannt, dreieckförmige oder rechteckförmige Pfade für die Laserstrahlen zu verwenden, wobei die Spiegel an den Scheiteln des dreieckförmigen Pfades oder an den Ecken des rechteckförmigen Pfades angeordnet sind. Während des Betriebes ergibt eine Drehung des Gyroskops in der Ebene der Laserpfade eine Schwebungsfrequenz zwischen den beiden entgegengesetzt gerichteten Laserstrahlen, und diese Schwebungsfrequenz wird zur Bestimmung der Drehung verwendet, die einer Änderung in der Orientierung des Gyroskops

ίο zugeordnet ist Bei sehr geringen Drehgeschwindigkeiten haben die beiden Strahlen die Tendenz, sich gegenseitig zu synchronisieren, so daß keine Frequenzdifferenz beobachtet wird. Dies ist teilweise das Ergebnis einer Rückstreuung, wobei ein Teil der Energie aus jedem der Laserstrahlen längs des Pfades des anderen Strahles zurückreflektiert wird und dahin tendiert die beiden Strahlen zu synchronisieren.

Es sind bereit«, verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen worden, um dieses unerwünschte Phänomen zu beseitigen, das häufig als Ringiaser-Gyroskop-Mitziehen bezeichnet wird. Diese Möglichkeiten verwenden unter anderem das Vibrieren des gesamten Körpers des Laser-Gyroskops und nichtreziproke, phasenverschiebende Anordnungen, z. B. Faraday'sche Drehelemente.

Die Methode, den gesamten Körper der Lasereinrichtung in Vibrationen zu versetzen, ist keins einwandfreie Lösung, um das Problem des Mitziehens zu beheben, und die Verwendung von Faraday'schen Drehelementen oder anderen magnetischen oder optischen

«ι Einrichtungen im Laserpfad ergibt einen komplexeren Aufbau als erwünscht.

Insbesondere sind Ringlaser-Gyroskope bekannt (DE-AS 12 92 899), bei denen der Strahlenpfad auf einer Plattform verläuft, die auf radial angeordneten Blattfe-

)·> dem um eine senkrecht zur Ebene des geschlossenen Pfades verlaufende Achse schwingend befestigt ist. Hierbei sind somit alle Umlenkspiegel auf einer gemeinsamen Plattform angeordnet.

Des weiteren sind Ringlaser-Gyroskope bekannt (US-PS 35 33 014), die einen Stapel von piezoelektrischen Elementen aufweisen und bai denen die Position eines Spiegels verändert wird, um die Länge eines Laserhohlraumes exakt zu verändern. Eine derartige Technik kann bei Ringlaser-Gyroskopen der gattungs-

4·-, gemäßen Art zur Erzielung von Gleich-Vorspannungen verwendet werden, denen die eine geeignete Phasenlage aufweisenden Wechselstromsignale überlagert werden.

Schließlich ist aus der US-PS 35 81227 eine

w Einrichtung bekannt, die Stapel von piezoelektrischen Elementen aufweist und bei der die Position eines Spiegels verschoben wird, um die Länge eines Laserstrahlraumes exakt zu verändern.

Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, das Problem

τ, des Mitziehens in Ringlaser-Gyroskopen durch eine einfachere und direktere Methode, als dies bei bekannten Anordnungen der Fall ist, zu eliminieren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vibrationsbewegung der Spiegel in Form

M) einer parallelen, nach rückwärts und vorwärts auftretenden Verschiebung in Richtungen senkrecht zu der Spiegelfläche erfolgt, und daß die Vibrationsbewegung so steuerbar ist, daß konstante Laserstrahlpfadlängen aufrechterhalten werden.

_bß Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der speziellen Ausführungsform der Erfindung wird erreicht, daß die Spiegel an allen Reflexionspunk-

ten eines Ringlaser-Gyroskops eine Zitterbewegung bzw. mechanische Vibrationsbewegung ausführen, wobei die Phasenlage der Oszillation der Spiegel um den Umfang der Laser-Gyroskopanordnung versetzt ist, derart, daß die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten Spiegeln 360° dividiert du ch die Anzahl der Spiegel beträgt, und wobei diese Bedingung sich in einer konstanten Pfadlänge für die entgegengesetzt orientierten Strahlen ergibt, begleitet von einem Verschieben des Auf ti Ef f punktes eines jeden Laserstrahles über die Oberfläche eines jeden Spiegels. Dadurch wird die Frequenz des zurückgestreuten Lichtes verschoben, so daß die Kopplung zwischen den Laserstrahlen reduziert, wenn nicht vollständig vermieden wird, und das Mitziehphänomen weitgehend ausgeschaltet wird

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ringlaser-Gyroskop-Anordnung,

F i g. 2 eine Detailansicht von Spiegel-Wandler-Anordnungen, von denen jeweils eine an jedem Reflexionspunkt des Laser-Gyroskops angeordnet ist, und

F i g. 3 eine schematische Darstellung, die die Bewegung eines jeden der drei Spiegel nach F i g. 1 in bezug auf die anderen zeigt.

In Fig. 1 ist schematisch ein Laserk irper 12 dargestellt, der beispielsweise aus Quarz besteht. Drei periphere Kanäle 14, 16 und 18, die den geschlossenen Pfad in Gestalt eines Dreieckes bilden, sind in Form von w Bohrungen durch den Quarzkörper 12 hindurch ausgebildet. In den Kanälen 14, 16 und 18 ist gasförmiges Lasermedium, z. B. ein Gemisch von Gasen, die für den Laserbetrieb geeignet sind, vorgesehen. Das Gas besteht im Falle einer speziellen Ausführungsform r> aus etwa 90% Helium und 10% Neon und steht unter einem Druck von etwa 3 Torr, entsprechend 3,9996 mbar.

In Übereinstimmung mit der bekannten Lasertechnik sind zwei Kathoden 20 und 22 sowie zwei Anoden 24 und 26 an dem Quarzkörper 12 befestigt, so daß eine Gasentladung zwischen Kathode 20 und Anode 24 wie auch zwischen Kathode 22 und Anode 26 in den Kanälen 16 und 18 stattfinden kann.

An den drei Reflexionspunkten der dargestellten 4Ί dreieckförmigen Ringlaser-Gyroskopanordnung sind Spiegel-Wandler-Anordnungen 28,30 und 32 befestigt.

Alle innere«! Elemente der Ringlaser-Gyroskopanordnung einschließlich der Spiegel, Kathoden und Anoden sind im Quarzkörper 12 einwandfrei abgedich- -,0 tet angeordnet, so daß das Gas in den Kanälen des Quarzkörpers unter dem gewünschten Druck und frei von Verunreinigungen gehalten werden kann. Die Laserwirkung tritt in einer Eigenschwingung mit einer Frequenz von etwa 5 χ 10^H Hz auf. Dies entspricht einer γ, Wellenlänge von etwa 0,633 Mikron, d. h. die resultierende Leuchterscheinung ist brillantes Licht roter Farbe.

Der Aufbau einer der Spiegel-Wandler-Anordnungen 28,30,32 ist im Detail in F i g. 2 gezeigt. In dieser F i g. 2 _bo besitzt die Spiegel-Wandler-Anordnung 28 einen Spiegel 64, dessen reflektierende, teilweise mit Überzug versehene Oberfläche 34 den Laserstrahlen zugewandt ist und Licht von einem der Kanäle 14, 16, 18 in einen anderen Kanal reflektiert. Der Spiegel 64 ist mit dem t>^r> Quarzkörper 12 längs des Randes 36 befestigt. Der Spiegel ist in einer ringförmigen Zone 38, die sich um den Spiegel auf seiner Rückfläche unmittelbar innerhalb des stärkeren äußeren Randes 36 erstreckt, dünner ausgebildet Mit dem Rand 36 ist ein starres Gehäuse 40 befestigt, das beispielsweise zylindrische Gestalt hat Dieses zylindrische Gehäuse 40 ist mit einem schweren Boden 42 versehen.

Zwischen dem Boden 42 des Gehäuses und dem zentrischen Teil 46 des Spiegels ist ein Stapel 44 aus piezoelektrischen Wandlerelementen vorgesehen. Der Stapel 44 besteht aus einer Anzahl von dünnen, flachen piezoelektrischen Plättchen. Diese Plättchen haben die Eigenschaft, daß sie beim Anlegen einer Spannung etwas dicker oder etwas dünner werden, je nach der Polarität der Spannung. Der Stapel 44 ist beispielsweise aus fünfzehn piezoelektrischen Plättchen aufgebaut, deren jedes eine Dicke von etwa 0,25 mm besitzt Die Plättchen besitzen auf ihren oberen und unteren Flächen Elektroden und sind »Rücken-an-Rücken« miteinander verbunden, d. h, daß abwechselnd gemeinsame Elektroden, die einen Satz von Elektroden bilden, mit jeweils einer Steuerleitung entgegengesetzter Polarität verbunden sind. Die »Rücken-an-Rücken« verbundenen Plättchen dehnen sich in der Dicke miteinander aus und ziehen sich zusammen, wenn entgegengesetzt gerichtete elektrische Felder an abwechselnde Plättchen gelegt werden, wobei ein erheblicher Druck auf den mittleren Teil 46 des Spiegels ausgeübt wird, und bewirken, daß der dünne ringförmige Abschnitt 38 des Spiegels 64 ähnlich der Verschiebung einer Membran, die längs ihres Randes mit einem Rahmen befestigt ist, ausgelenkt wird.

Die Stapel aui piezoelektrischen Wandlerelementen können aus irn Handel erhältlichen piezoelektrischen Plättchen hergestellt sein. Der ungefähre Spannungswert, der den nachstehend erörterten Verschiebungswert ergibt, beträgt etwa 160 Volt von Spitze zu Spitze. Dies ergibt eine Verschiebung der richtigen Größenordnung, um die Amplituden zu erzielen, die in der Praxis erforderlich sind, wie nachstehend noch ausgeführt wird.

In Fig 1 weisen die elektrischen Schaltungen die beiden Speisequellen 52 und 54 bekannter Ausführung zum Einleiten und Aufrechterhalten der Gasentladung zwischen den Anoden und Kathoden der Laservorrichtung auf.

Die Spiegelflächen der Anordnungen 28, 30 und 32 werden durch die Wandler, die von einer Dreiphasen-Vorspannungsschaltung 56 gespeist werden, in Vibrationsbewegung versetzt. Jeder der piezoelektrischen Wandlerstapel, ζ. B. der Stapel 44 nach F i g. 2, wird so beaufschlagt, daß seine Vibration 120° phasenverschoben gegenüber den anderen ist.

In Fig. 2 sind die Laserstrahlen 57 und 58 so dargestellt, daß sie durch die teilweise mit Überzug versehene Spiegelfläche 34 und durch dis öffnungen 59 und 60 im Gehäuse 40 treten. Wie in Fig. 1 gezeigt, treffen sie auf die äußeren Spiegel 61 und 62. Von diesen Spiegeln 61 und 62 aus werden die Strahlen auf eine Meßvorrichtung 63 gerichtet, die die Schwebungsfrequenz zwischen den beiden entgegengesetzt gerichteten Laserstrahlen ermittelt; die Schwingen treten auf, wenn die ganze Anordnung gedreht wird.

In Fig. 3 sind die drei Spiegel des Ringlaser-Gyroskops schematisch als Spiegel 64 mit zusätzlichen Spiegeln 65 und 66 dargestellt. Die neutrale Position eines jeden Spiegels ist mit 64', 65' und 66' gezeigi. Wie durch die Pfeile 68 angedeutet, bewegt sich jeder Spiegel nach innen und außen auf die Mitte der Laser-Gyroskopanordnung zu und von der Mitte weg. In F i g. 3 stellt die stark ausgezogene Linie 70 den Pfad

des Laser-Gyroskopstrahles dar, wobei die Spiegel die gezeigte Position einnehmen. Insbesondere nimmt in dieser Position der Spiegel 65 eine Position ein, die der am weitesten zurückgezogenen Position naheliegt, während jeder der Spiegel 64 und 66 gegenüber dem ·> Spiegel 65 um aufeinanderfolgende Zuwachsanteile von 120° versetzt und deshalb in den Positionen weiter vorgeschoben ist. Somit wird die Anordnung so gesteuert, daß die dreieckförmigen Laserstrahlpfade weitgehend konstant gehalten werden, wenn die drei ι ο Spiegel sich fortschreitend in ihre und aus ihren Phasenbeziehungen der Vibrationsbewegung bewegen.

Bei einer mit vier Spiegeln arbeitenden Ringlaser-Gyroskopanordnung werden die vier Spiegel von Wandlern gesteuert, die durch eine vierphasige Speisequeiie gespeist werden, und die aufeinanderfolgenden Spiegel werden so betätigt, daß sie eine Vibrationsbewegung ausführen, die um 90° gegenüber der eines jeden benachbarten Spiegels phasenverschoben ist.

Grundsätzlich ist die Phasenverschiebung zwischen benachbarten Spiegeln gleich 360° dividiert durch die Anzahl der Spiegel.

In bezug auf die Frequenz der Vorspannungsschaltung 56 nach F i g. 1 ist es erwünscht, diese Frequenz verhältnismäßig hoch zu wählen, zweckmäßigerweise in der Größenordnung von einigen 10 kHz bis zu mehreren 100 kHz. Es können jedoch Frequenzen bis herab auf 1 oder 2 kHz verwendet werden.

Wenn die Spiegel sich in ihre und aus ihrer extremen zurückgezogenen Position in ihre extrem vorgeschobenen Positionen bewegen, bewegen sich, wie in Fig. 3 dargestellt, die Auftreffstellen der Laserstrahlen über die Spiegelflächen von einer extremen Position, bei der die entsprechenden Strahlpfade durch die Linien 72, 74 und 76 angedeutet sind, in die andere extreme Position, deren Pfade durch die Linien 78, 80 und 82 angedeutet sind, hin und her. Wie in F i g. 3 durch den dreieckförmigen Pfad 70 dargestellt, erreichen die Strahlen die extremen Positionen, die durch die Linien 72, 74 und 76 angedeutet sind, und im Anschluß daran die inneren Begrenzungen 78, 80 und 82 zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wobei der Laserstrahl stets exakt die gleiche Länge besitzt.

Bei dem Ringlaser-Gyroskop nach der oben erörterten US-PS 35 33 014 werden die Spiegel und andere Rückstreuquellen parallel zu ihren Oberflächen in Schwingungen versetzt, anstatt senkrecht zu den Oberflächen, wie im Falle vorliegender Erfindung. Man hat festgestellt, daß es außerordentlich schwierig ist. Anordnungen zur Bewegung der Spiegel eines Laser-Gyroskops in ihren eigenen Ebenen herzustellen und gleichzeitig die Laserräume einwandfrei abzudichten sowie die anderen Erfordernisse einzuhalten.

Im Gegensatz hierzu werden im Falle vorliegender Erfindung die Laserstrahlen über die Oberflächen der Spiegel in der Weise hin und her bewegt die mathematisch durch die Technik nach der US-PS 35 33 014 analysiert werden kann. Insbesondere ist die Formel nach Spalte 6, Zeilen 53-55 dieser Druckschrift genau auf die Amplitude der im Falle vorliegender Erfindung verwendeten Spiegel anwendbar. Dieses überraschende Resultat ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Auftreffstellen der Laserstrahlen über die Oberflächen der Spiegel um genau den gleichen Abstand hin und her versetzt werden, um den die Spiegel nach innen und außen, d. h. gegen die Mitte der Anordnung von ihr weg, oszilliert werden.

Die in der US-PS 35 33 014 angegebene Formel, auf die oben Bezug genommen ist, ergibt sich ir abgekürzter Form mit

B λ

4 .-τ (sin«)

wobei

A die maximale Verschiebung eines jeden Spiegels ir jeder Richtung aus einer neutralen Position,

A die Wellenlänge des Laserlichtes,

Θ der Winkel zwischen der Auftreffrichtung dei Laserstrahlen und einer Ebene senkrecht zu dei Spiegeloberfläche, und

B eine beliebige Zahl ist, die als das Argument dei Bessel-Funktion der Null-Ordnung genommen einer Wert der Bessel-Funktion ergibt, der Null ist.

Für die dreieckförmige Ausführungsform ist, wie in Fig. 1 gezeigt, θ gleich 30° und Sin θ gleich 15°. Aus entsprechenden mathematischen Tabellen ergibt sich daß B einen Wert von 2,405 der Bessel-Funktion niedrigster Ordnung besitzt. Werden diese Werte in Gleichung (1) eingesetzt, ergibt sich

A =

0,191 /.
sin θ

A = 0,382/

Wird das Neon-Helium-Gasgemisch, auf das oben Bezug genommen worden ist, verwendet, beträgt die Wellenlänge 0,633 Mikron und die Verschiebungsamplitude »A« beträgt etwa 0,242 Mikron, d. h 0,242 xlO-⁴ cm in jeder Richtung von der neutraler Position der Spiegel.

Wenn die drei Spiegel genau um 120° phasenverschoben gegeneinander vibrieren, tritt keine Änderung dei augenblicklichen optischen Hohlraumlänge ein. Somit wird der Laserbetrieb bei einer Frequenzlage in dei Mitte der Verstärkungskurve mit einer minimaler Längen-Perturbation aufgrund des mit der Erfindung erzielten Effektes aufrechterhalten, der zweckmäßigerweise als »Mikrozitter«-Modulation (microdither modulation) bezeichnet wird. Die Mikrozitter-Amplituden liegen in der Größenordnung einer Subwellenlänge.

Die geometrische Analyse zeigt, daß das Stehwellenfeld, das der dreieckförmigen Ausbildung nach F i g. 3 zugeordnet ist, eine Translationsbewegung ausführt jedoch nicht rotiert, derart, daß die Scheitel des Dreieckes Kreise beschreiben, wie durch die Pfeile in F i g. 3 gezeigt, während die Auftreffstellen Linien au! den Oberflächen der Spiegel beschreiben, soweit die Spiegel sich nach innen und außen bewegen, so daE jeder Laserstrahl sich über die Spiegeloberflächen hin und her bewegt Dies ergibt daß die Streuzentren in bezug auf die umgesetzten, d.h. in der Position verschobenen Stehwellenfeldknoten verschoben werden, so daß die Phasenverschiebungsforderung dei Phasenmodulation erfüllt wird. Diese Verschiebung ergibt auch, daß das Stehwellenfeld in bezug auf eine körperfeste Öffnung verschoben wird.

Zusätzlich verändert sich der Abstand von einet Streugruppe zur nächsten Gruppe auf dem nächsten Spiegel mit der Zeit Die Vektorsummierung des optisch rückgestreuten Lichtes von allen Streuflächen des Laserhohlraumes bestimmt die Größe des »Mitzieh«- Effektes wie auch der endgültigen Phasenlage. Somit

bewirkt das »Mikrozittern« der Spiegel, daß der nutzbare Streuvektor in der Zeit moduliert wird. Dieser Effekt trägt weiterhin zur Reduzierung des Mitzieh-Effektesbei.

Die Technik nach der US-PS 35 81 227 kann in dem Gyroskop nach vorliegender Erfindung als Gleich-Vorspannung verwendet werden, der die eine geeignete Phasenlage aufweisenden Wechselstromsignale überlagert werden können. Die US-PS 35 81 227 gibt keinen Hinweis auf eine Vielzahl von Spiegeln, deren jeder eine piezoelektrische Steuerung besitzt, und es läßt sich ihr

auch nicht die Phasenvibration, d. h. die Schwingung der Spiegel entnehmen. Hierbei können Wandler verwendet werden, die nicht piezoelektrische Elemente sind, um die Spiegel in der geeigneten Phasenbeziehung in Schwingungen zu versetzen. Beispielsweise können magnetostriktive Wandler verwendet werden. Zusätzlich können andere einen Lasereffekt ergebende Materialien und Laserhohlräume mit einer unterschiedlichen Anzahl von Spiegeln, z. B. vier, Anwendung finden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ringlaser-Gyroskop mit wenigstens drei Spiegeln, die einen geschlossenen Pfad für den einen und den anderen von zwei Lichtstrahlen aufbauen, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen in einem aktiven Lasermedium des Gyroskops fortschreiten, und mit individuell betätigbaren Wandlern, deren jeder einen der Spiegel in Vibrationsbewegung versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsbewegung der Spiegel (64,65,66) in Form einer parallelen, nach rückwärts und vorwärts auftretenden Verschiebung in Richtung senkrecht zu der Spiegelfläche erfolgt, und daß die Vibrationsbewegung so steuerbar ist, daß konstante Laserstrahlpfadlängen aufrechterhalten werden.

2. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiegel (64, 65, 66) mit einer Phasendifferenz in bezug auf einen benachbarten Spiegel in Vibrationen versetzbar ist, die gleich einem Winkel von 360° dividiert durch die Anzahl der Spiegel ist.

3. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsbewegung für alle Spiegel (64, 65, 66) etwa gleiche Amplituden hat.

4. Ringlaser-Gyroskop nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsbewegung aller Spiegel (64,65,66) zeitlich sinusförmig verläuft.

5. Ringlaser-Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Translationsverschiebung eines jeden Spiegels (64,65,66) in der Größenordnung von