DE2821330A1 - Ring-laser-gyroskop - Google Patents

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

DIPL-tNG

H. KINKELDEY

DR-INQ

W. STOCKMAIR DA-MtI-AaEtCMJEQt

K. SCHUMANN

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P. H. JAKOB

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G. BEZOLD

8 MÜNCHEN Q2

MAXIMILIANSTRASSE

Litton Systems, Inc. 360 North Crescent Drive Beverly Hills, California 90210 USA

PH 12 699 16.Mai 1978

Ring-Laser-Gyroskop

Die Erfindung betrifft Ring-Laser-Gyroskope, "bei denen der Unterschied zwischen den Resonanzfrequenzen von gegensinnig umlaufenden Lichtstrahlen eine Meßgröße für die Drehung
des Laserkörpers bildet. Insbesondere betrifft diese Erfindung Laser-Gyroskope vom sogenannten Yier-Modi-Iyp, wobei der Ausdruck "Modus" verwandt wird, um einen Strahl von
allen anderen Strahlen durch eine unterschiedliche Frequenz und eine unterschiedliche, im vorliegenden Fall eine entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtung zu unterscheiden.

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Ring-Laser-Gyroskope, bei denen gegensinnig umlaufende, d.h. sich in zueinander entgegengesetzter Richtung fortpflanzende Lichtstrahlen verwandt werden, sind allgemein bekannt. Diese Einrichtungen werden verwandt, um die Umdrehungsgeschwindigkeit des Laser-Körpers um eine Achse, die senkrecht zur Ebene des Ring-Laser-Resonanzhohlraumes verläuft, dadurch zu messen, daß die Überlagerungsfrequenz bestimmt wird, welche aufgrund eines Frequenzunterschiedes zwischen den sich in entgegengesetzte Richtung fortpflanzenden Strahlen auftritt, der von der Drehung herrührt. Damit jedoch Ring-Laser-Gyroskope bei niederen Umdrehungsgeschwindigkeiten arbeiten,muß das einschließen der Frequenz überwunden werden, welches häufig auch als "Einschluß" bezeichnet wird. Dieses Phänomen tritt auf, wenn zwei Strahlen von Lichtwellen sich in einem Resonanzhohlraum in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen und ihre etwas unterschiedlichen Frequenzen sozusagen zueinander "gezogen" werden, so daß se sich zu einem Strahl von stehenden Wellen mit einer Frequenz vereinigen, so daß kein brauchbares Ausgangssignal erhalten werden kann. Um dieses Phänomen des "Einschlusses" zu vermeiden, müssen die Frequenzen der sich in entgegengesetzter Richtung fortpflanzenden Strahlen ausreichend voneinander getrennt sein, so daß das "aufeinander Zuziehen" nicht auftritt· Der Effekt des "Einschlusses" ist im einzelnen angegeben in Laser Applications, herausgegeben von Monte Ross, Academic Press, Inc., New York, ΪΓ.Υ.1971, S. 141 bis 143.

Eine der Möglichkeiten, die vorgeschlagen worden ist, um den "Einschluß" in einem Ring-Laser-Resonanzhohlraum zu vermeiden, besteht darin, daß zwei Paare von zueinander entgegengesetzt, d.h. im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Strahlen vorgesehen

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werden, wobei zwei zueinander entgegengesetzt polarisierte Strahlen in jedem Paar gleichzeitig in dem Resonanzhohlraum umlaufen. Somit "bestellt ein Paar aus zwei rechtszirkularpolarisierten Lichtstrahlen, von denen einer sich in Uhrzeigerrichtung und der andere in Gegenuhrzeigerrichtung fortpflanzt. Das andere Paar "besteht aus zwei linkszirkularpolarisierten Strahlen, welche sich ebenfalls in entgegengesetzten Richtungen innerhalb desselben Resonanzhohlraumes fortpflanzen. Ein solches sogenanntes Vier-Modt-Ring-Laser-Gyroskop" ist im einzelnen in der US-PS 3 74-1 657 beschrieben. Der Aufbau und der Betrieb eines Vier-Modi-Laser-Gyroskops wird kurz im folgenden beschrieben.

In den Weg des Laserstrahls, d.h. innerhalb des Resonanzhohlraumes sind reziprok anisotrop und nicht-reziprok anisotrop ₅ optisch streuende Elemente angeordnet. Ein reziprok anisotrop , streuendes Element, wie z.B. ein aus einem Quarzkristall hergestellter optischer Rotator, ist vorgesehen, um verschiedene Verzögerungen aufgrund der verschiedenen Brechungsindezes für rechts- und linkszirkularpolarisierte Lichtstrahlen hervorzurufen. Dieser Unterschied der Brechungsindizes ist als natürliche, optische Aktivität bekannt und hat einen optischen Weglängenunterschied für den einen und den anderen Lichtstrahl eines Paares von entgegengesetzt zirkularpolaristierten, sich in demselben Resonanzhohlraum fortpflanzenden Lichtstrahlen unabhängig von der ÜPortpflanzungsrichtung des Strahls zur Folge. Zusätzlich ist ein nicht-, reziprok anisotrop., streuendes Element, wie z.B. eine Faraday-Zelle vorgesehen, welche für sich in entgegengesetzte Richtungen fortpflanzende Lichtstrahlen

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verschiedene Brechungsindezes aufweist, so daß verschiedene Verzögerungen bei Strahlen hervorgerufen werden, die sich im Gegenuhrzeigersinn und im Uhrzeigersinn fortpflanzen bzw. ausbreiten, wobei die unterschiedliche Verzögerung von der Richtung der Zirkularpolarisation unabhängig ist. Dies wird damit erklärt, daß verschiedene Weglängen für Strahlen vorliegen, die sich in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen. Deshalb wird beim Vorliegen dieser beiden Arten von optisch streuenden, anisotropen Elementen eine Frequenztrennung zwischen jedem Resonanzmodus erzeugt, so daß sich alle vier Modi bei verschiedenen Frequenzen in Resonanz befinden, wobei ein Modus durch die Frequenz und die Fortpflanzungsrichtung und den Sinn der Zirkularpolarisation bestimmt wird.

Die Trennung zwischen den Resonanzfrequenzen der Modi wird durch das Phänomen erklärt, daß die Resonanzcharakteristik des Resonanzhohlraumes derart konditioniert wird, daß die verschiedenen Modi verschiedene Resonanzhohlraumlängen "sehen". Mit anderen Worten ausgedrückt wird eine Unterseheidungseigenschaft gegenüber anderen als der vorbestimmten Resonanzfrequenz für jeden Modus hervorgerufen, in dem eine solche Resonanzfrequenz eingerichtet wird. Man kann sehen, daß die durch die optisch streuenden Elemente erzielte Wirkung von der Art einer Abstimmeigenschaft ist, obgleich das "Abstimmen" ohne physikalische Abänderung der Maße des Resonanzhohlraumes erzielt wird. Als Ergebnis hiervon sind die Resonanzfrequenzen der zwei Strahlen die in einer Richtung laufen bzw. sich fortpflanzen zwischen den Resonanzfrequenzen der zwei sich in der entgegengesetzten Richtung fortpflanzenden Strahlen angeordnet, wobei die zwei höheren Frequenzmodi

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oder Strahlen im gleichen Sinn zirkularpolarisiert sind, jedoch sich in entgegengesetzten Richtungen fortpflanzen. In ähnlicher Weise sind die zwei niedereren Frequenzmodi oder Strahlen im gleichen Sinn zirkularpolarisiert, welcher dem Sinn der Polarisation des anderen Paares entgegengesetzt ist, und breiten sich ebenfalls in zueinander entgegengesetzte Richtungen aus.

Jedes Paar von solchen gemeinsam, sich entgegengesetzt ausbreitenden, identisch zirkularpolarisierten Strahlen können so betrachtet und verstanden werden, daß sie jeweils als ein getrenntes von zwei unterschiedlichen Laser-Gyroskopen arbeiten. Wenn das Ring-Laser-Gyroskop-System um eine Achse gedreht wird, welche senkrecht zu der Ebene des ringförmigen Strahlenweges ausgerichtet ist, wird die Frequenztrennung, d.h. der Frequenzunterschied zwischen den Strahlen mit höherer Frequenz entweder abnehmen oder zunehmen, während der Frequenzunterschied zwischen den zwei Strahlen mit niederer Frequenz in entgegengesetzter Weise beeinflußt wird. Dies bedeutet, er wird entweder zunehmen oder abnehmen. Das Überlagerungsausgangssignal, welches sich aus der Kombination der zwei Strahlen mit niederer Frequenz ergibt wird von dem Überlagerungsausgangssignal abgezogen, welches sich durch die Kombination der zwei Strahlen mit höherer Frequenz ergibt. Der sich ergebende Frequenzunterschied ist eine im wesentlichen lineare Wiedergabe der Drehung des Ring-Laser-Gyroskop-Systems. Die Richtung der Drehung wird dadurch bestimmt, daß eines der Strahlenpaare überwacht wird.

Um die unerwünschten Ergebnisse desjenigen Phänomens zu vermeiden, welches als "Loch-Einbrennen" bekannt ist, müssen die vier Frequenzen, welche den vier Reso-

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nanzmodi in dem Resonanzhohlraum zugeordnet sind, wesentlich, voneinander getrennt werden. Das Prinzip des "Loch-Einbrennens"umfaßt die Besetzungsverringerung der zur Verfügung stehenden, ·. lichtemittierenden Atome in dem Verstärkungsmedium des Gaslasers, welche eine Lichtstrahlung bei einer gegebenen Frequenz aussenden können. Ein Laserstrahl, welcher in einem Laser-Resonanzhohlraum durch stimulierte Emission aufrechterhalten wird, verringert die Besetzung der zur Verfügung stehenden ,lichtemittierenden Atomen im Bereich dieser Frequenz und dadurch ergibt sich eine Absenkung oder ein "Loch" in der Laser-Verstärkungskurve. Dieses "Loch" hat eine gewisse Bandweite, so daß, wenn zwei getrennte Strahlen bei sehr dicht nebeneinander liegenden Frequenzen arbeiten, sich die Bandweiten überlappen. Diese Bedingung kann durch den Ausdruck "Loch-Einbrennen-Wettbewerb" beschrieben werden. Als Ergebnis hiervon wird einer der Resonanzmodi dominieren und die Intensität des Modus oder Strahls, welcher bei der danebenliegenden Frequenz arbeitet, wird wesentlich verringert oder sogar ausgelöscht. "Loch-Einbrennen" wird im einzelnen beschrieben in Gas Laser Technology von Douglas C. Sinclair und V. Earle Bell, Holt Reinhart und Winston, Inc., New York, N.W. 1969, S. 33-35.

Demgemäß muß, um eine Laser-Wirkung in allen vier Modi in dem Laser-Resonanzhohlraum aufrechtzuerhalten, die Frequenz eines jeden Modus ausreichend von den anderen drei getrennt werden, um das Auftreten des "Loch-Einbrennen-Wettbewerbs " zu verhindern. Die Frequenzabstände müssen derart sein, daß keine wesentliche Überlappung zwischen den Löchern vorliegt, welche von gedem Paar von aneinander anschließenden Eesonanzmodi

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in die Verstärkungskurven gebrannt worden sind.

Um eine ausreichende Dispersion zu schaffen, damit die "Loch-Einbrennen"-Effekte zwischen den verschiedenen Strahlen vermieden werden, muß der üblicher Weise verwandte und in dem Laser-Strahlengang angeordnete reziprok anisotrope ' Kristall- unerwünscht groß sein, welcher häufig auch als ein Kristallrotator bezeichnet wird, der die Eigenschaft der optisch reziproken Anisotropie, aufweist. Seine Große trägt zu thermischen Spannungen bei, welche aufgrund des Wärmegradienten innerhalb des Instrumentes und von Temperaturänderungen in dem Laser-System auftreten, die häufig durch die Unterschiede zwischen dem Ausdehnungskoeffizienten des Kristalls und des übrigen Laser-Körpers verstärkt werden. Diese Spannungen vergrößern die lineare Doppelbrechung in dem Kristall, welche die Kopplung zwischen verschiedenen Modi erhöht. Kopplung, wie es hier verwandt wird, bezeichnet eine Wechselwirkung zwischen verschiedenen Strahlen, welche sich in der gleichen Richtung fortpflanzen, wodurch sich eine Fehlerquelle für das Ausgangssignal von dem Ring-Laser-Gyroskop ergibt.

Typischerweise ist das Element, welches eine nichtreziproke Anisotropie aufweist, ein Jaraday-Rotator, der auch Faraday-Zelle genannt wird, welche dadurch geschaffen werden kann, daß eine Spule um den Kristall gewickelt wird und ein Gleichstrom durch die Spule geschickt wird. Die Größe des Effektes, welche aufgrund der in der Zelle auftretenden Eigenschaft der nicht-reziproken Anisotropie erzielt wird, kann

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ähnlich wie der Faraday-Effekt als eine Drehwirkung an den polarisierten Lichtstrahlen sichtbar gemacht werden "und wird durch die Länge der Zelle, die Größe des Magnetfeldes, und die Verdet-Konstante des Kristall-Materials "bestimmt. Die Verdet-Konstante wird als die Drehung pro Längeneinheit pro Einheit der magnetischen Feldstärke definiert.Sie ist eine Materialeigenschaft, d.h. verschiedene Materialien haben verschiedene Verdet-Konstanten zugeordnet.

Im Hinblick auf die oben erläuterten Ausgangsungenauigkeiten aufgrund von thermischen Spannungen ist ein herkömmlicherweise verwandter Kristall unerwünscht groß, ßeine Länge jedoch ist sehr klein, wenn er in einer Faraday-Zelle verwandt wird. Dann, um die erforderliche nicht-reziproke Anisotropie zu erzielen, muß das magnetische Feld über die geringe Länge des Kristalls relativ groß sein, typischerweise über 1000 Gauss. Es ist schwierig eine so große Feldstärke längs der kurzen Strecke des Kristallelementes zu steuern.

Die Zielsetzung dieser Erfindung besteht darin, sowohl die Größe des Kristall-Rotators als auch die Feldstärke des Magnetfeldes in der Faraday-Zelle zu verringern.

Erfindungsgemäß werden die oben genannten Zielsetzungen dadurch erreicht, daß der Zeeman-Effekt genützt wird, d.h. die Überlagerung eines Magnetfeldes parallel zu dem Laser-Weg längs eines sogenannten Dual-Laser-Verstärkungsmediums, womit ein Laser-Verstärkungs-Medium gemeint ist, welches zwei bestimmte, getrennt arbeitende Medien in der Form von bestimmten Gasisotopen. innerhalb eines gemeinsamen Resonanzhohlraumes umfaßt.

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Der sich, durch das Feld ergebende Zeeman-Effekt "bewirkt, daß die Frequenzen der lichtemittierenden Atome in dem Verstärkungsplasma derart verschoben werden, daß die Lichtfrequenz, welche von einem Atom erzeugt wird, entweder erhöht oder verringert wird. Ferner werden diese Atome in dem Magnetfeld ausgerichtet, so daß alle diejenigen, deren Frequenz höher geschoben worden ist, Licht mit einem Sinn von Zirkularpolarisation in einer Fortpflanzungsrichtung und Licht mit Zirkularpolarisation im entgegengesetzten Sinn in der entgegengesetzten Fortpflanzungsrichtung ausstrahlen. Jene Atome, welche frequenzmäßig nach unten geschoben worden sind, werden in der gleichen Weise beeinflußt, mit der Ausnahme, daß der Sinn der Zirkularpolarisation für eine gegebene Fortpflanzungsrichtung umgekehrt ist.

Somit wird durch den Zeeman-Effekt die Verstärkungskurve für einen vorgegebenen Strahl, der durch die Atome eines jeden Isotops in dem Laser-Verstärkungsmedium, d.h. in dem Plasma erzeugt worden ist, in zwei Verstärkungskurven aufgeteilt. Daraus ergibt sich, daß für einen Richtungssinn der Zirkularpolarisation das "Loch-Einbrennen" oder die Besetzungsverringerung bzw. Quellenverringerung, die von einem sich in einer Richtung in dem Laser-Resonanzhohlraum fortpflanzenden Lichtstrahl herrühren, nicht die Verstärkungskurve eines Lichtstrahls beeinträchtigen, der sich in entgegengesetzter Richtung ausbreitet und den gleichen Richtungssinn der Zirkularpolarisation aufweist. Die Verwendung eines Dual-Isotop-Laser-Verstärkungsplasmas ergibt dann tatsächlich, daß der Zeeman-Effekt vier Verstärkungskurven erzeugt. Diese Zeeman-Aufspaltung der

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Verstärkungskurven erhöht wesentlich die Unabhängigkeit der einzelnen Modi in Bezug auf die Effekte des "Loch-Einbrennens" in dem Verstärkungsmedium. Diese starke Verringerung des Effektes des "Loch-Einbrennens" gestattet die Trennung zwischen der mittleren Frequenz der zwei Strahlen für einen Eichtungssinn der Zirkularpolarisation und der mittleren Frequenz der zwei Strahlen für den entgegengesetzten Richtungssinn der Zirkularpolarisation wesentlich zu verringern.

Demgemäß kann die Größe des reziprok-anisotropen, streuenden Elementes, normalerweise ein Quarzkristall, welcher die Trennung zwischen rechts-und linkszirkularpolarisiertem Licht in dem Strahlengang des Ring-Lasers durchführt, wesentlich verringert werden, verglichen mit der Größe bei bekannten Geräten bzw. Instrumenten von der hier betrachteten Art. Dadurch werden Wärmespannungen, welche durch Temperaturänderungen oder Temperaturgradienten in dem Laser-Körper hervorgerufen werden, verringert.

Gemäß einem Grundgedanken der Erfindung wird ein Ring-Laser-Gyroskop geschaffen, welches mit vier zirkularpolarisierten Strahlen mit vier voneinander verschiedenen Frequenzen arbeitet,von denen sich zwei zueinander entgegengesetzt zirkularpolarisierte Strahlen in einer Richtung und die zwei anderen zueinander entgegengesetzt zirkularpolarisierten Strahlen in der entgegengesetzten Richtung ausbreiten, wobei das Ring-Laser-Verstärkungsmedium zwei verschiedene Gasisotope als seine aktiven Komponenten umfaßt, und bei welchem eine Einrichtung zum Feststellen der sich

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durch die Kombination der Strahlen ergebenden Uberlagerungsfrequenzen vorgesehen ist, und bei welchem durch eine Einrichtung, welche das Ausgangs signal von der Fe ststellungseinrichtung empfängt, während des Betriebes Ausgangssignale erzeugbar sind, die ein Maß für die Drehung des Ring-Laser-Gyroskops darstellen, und bei welchem eine Einrichtung zum Anwenden eines magnetischen Feldes, dessen Sichtung im wesentlichen mit den Strahlrichtungen übereinstimmt, auf das Verstärkungsmedium, welches zwei Isotope enthält, vorgesehen ist, wodurch eine Laser-Wirkung bei vier voneinander verschiedenen Frequenzen erzeugbar ist.

Gemäß speziellen Merkmalen einer Ausführungsform der Erfindung wird mindestens eine Spule verwandt, durch die während des Betriebes ein Gleichstrom fließt, wodurch ein magnetisches Feld erzeugbar ist, wobei die Spule die das Verstärkungsmedium enthaltende Laser-Röhre koaxial umgibt. Dann kann das magnetische Feld zusätzlich zum Erzeugen der Laser-Wirkung bei den vier voneinander verschiedenen, bestimmten Frequenzen die Funktion übernehmen, verschiedene Resonanzfrequenzen für zueinander entgegengesetzte Richtungen der Strahlausbreitung und unabhängig von dem Richtungssinn der Zirkularpolarisation einzurichten. Ferner kann eine reziprok anisotrope streuende, optische Einrichtung vorgesehen werden, welche in den Strahlengang der Strahlen angeordnet ist, um eine Resonanzfrequenz für die Laserstrahlen hervorzurufen, welche in einem Richtungssinn zirkularpolarisiert sind und um gleichzeitig eine unterschiedliche Resonanzfrequenz für die Laserstrahlen hervorzurufen, welche im entgegengesetzten Richtungssinn zirkularpolarisiert sind, und zwar unabhängig von der Richtung der Strahl-

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ausbreitung. Ein anisotroper - Kristall, wie ein Quarzkristall ist für die optische Einrichtung geeignet.

Die Erfindung kann besser aufgrund der folgenden, ins einzelne gehenden Beschreibung einer Ausführungsform zusammen mit den Zeichnungen verstanden werden. Es zeigen:

Fig. Λ eine schematische Darstellung eines Vielfach-Oszillators, d.h. eines Vier-Strahl-Ring-Laser-Gyroskops zusammen mit einem Blockdiagramm der erforderlichen Schaltkreise, um die erzeugte Information zu verarbeiten,

Fig. 2 eine graphische Darstellung der getrennten Verstärkungskurven für jedes Isotop in einem Dual-Isotop-Gas-Laser-Verstärkungsmedium zusammen mit den kombinierten Verstärkungskurven der zwei Isotope,

Fig. 3 eine graphische Darstellung der getrennten Verstärkungskurven in einem Dual-Isotop-Ring-Laser-System mit Zeeman-Frequenzaufspaltung,

Fig. 4- eine schematische Darstellung, wie die Resonanzbedingungen für die vier Frequenzen hergestellt werden, die jedem Modus des Vielfachoszillator-Ring-Laser-Gyroskops der Fig. 1 zugeordnet sind, und

Fig. 5 eine schematische Darstellung des Gyroskop-Ausgangs als Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit des Ring-Lasers der Fig. 1.

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Das in I¹Xg. 1 dargestellte Vier-Modi-Ring-Laser-Gyroskop umfaßt einen Laser-Körper 12 mit einem abgedichteten. Resonanz-Laser-Hohlraum 23. Der Resonanzhohlraum 23» wie er dargestellt ist, "bewirkt einen rechteckigen Strahlengang, wobei Spiegel 14, 16, 18 und 20 an seinen vier Ecken angeordnet sind. Der abgedichtete Resonanzhohlraum 23 ist-mit einem Zwei-Isotopen - Verstärkungsmedium gefüllt, wie z.B. einer Helium-Neon-Gas-Mischung, in der die Isotope Neon 20 und Neon 22 die zwei aktiven Isotope sind. In den Abschnitten des Resonanzhohlraums 23 zwischen den Kathoden 46 und Anoden 48, wo das gasförmige Verstärkungsmedium elektrisch angeregt wird, wird das Verstärkungsmedium ein lichtaussendendes Laser-Plasma, welches die Laserstrahlen bei den Resonanzfrequenzen aufrechterhält.

Die Spiegel 14 und 16 werden nur zur Reflexion der Strahlen in dem Laser-Strahlengang 24 verwandt. Der Spiegel 18 ist an einem piezoelektrischen Element befestigt, welches den Spiegel nach innen und außen bewegt. Dieser Abschnitt der Konstruktion bildet einen Teil des Steuersystems für die Länge des Resonanzhohlraums. Der Spiegel 22 reflektiert nur teilweise, wodurch ein kleiner Anteil des auf seine Oberfläche auftreffenden Lichtes hindurchgehen kann. Die durch den Spiegel 22 hindurchgehenden Anteile der Lichtstrahlen werden einer mit den drei anderen kombiniert und verarbeitet, -oia als Ausgang die erwünschte Information über die Drehung zu liefern. Die Linie 24 stellt den Ring-Laser-Strahlengang für die vier Modi des zirkularpolarisierten Lichtes dar.

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Das Ring-Laser-Gyroskop ist mit einem reziprok .· anisotrop streuenden Element 26 ausgerüstet. Die natürliche optische Aktivität, welche innerharb des Elementes 26 auf das zirkularpolarisierte Licht derart wirkt, daß aufgrund der unterschiedlichen Resonanzbedingungen die zwei gegensinnig zueinander zirkularpolarisierten Strahlen voneinander getrennt werden, ist auf diesem Gebiet der Technik allgemein bekannt und kann mit einem Material hervorgerufen werden, wie einem Quarzkristall, welcher so orientiert ist, daß die Strahlen ach längs seiner optischen Achse ausbreiten. Die Elemente 28 sind elektrische Spulen, durch die während des Betriebes ein Gleichstrom fließt und durch die somit ein magnetisches Feld geschaffen wird, welches in den Abschnitten zwischen Kathoden 46 und Anoden 48 dem Plasma-Verstärkungsmedium überlagert wird. Die Spulen 28 werden um die gesamten Abschnitte zwischen den Kathoden und Anoden herumgewickelt um das magnetische Feld im wesentlichen auf die gesamte Gas-Plasma-Lichtquelle anzuwenden. Die durch die Spulen erzeugten magnetischen Felder sind typischerweise ungefähr 100 Gauss und beide sind in der gleichen Richtung in Bezug auf den Laser-Strahlengang 24 ausgerichtet, so daß sie sich gegenseitig nicht aufheben.

Das dem Laser-Strahlengang aufgeprägte Magnetfeld erzeugt eine mit dem Faraday-Rotationseffekt in Beziehung stehende Bedingung in der Form einer nicht-reziproken, anisotropen Dispersion, welche durch bestimmte Resonanzfrequenzen zwischen den sich im Uhrzeigersinn und im< Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Strahlen unterscheidet. Ferner bewirkt das dem angeregten Plasma überlagerte Feld eine Zeeman-Frequenzaufspaltung zwischen dem Licht, welches von den Atomen in dem Plasma

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imitiert wird, so daß "Loch-Einbrenn-Effette" in den Verstärkungskurven für rechts- und linkszirkularpolarisierte Lichtstrahlen wesentlich verringert wird, wenn die Frequenzen, bei denen Laser-Licht ausgesandt wird, nahe "beieinander liegen. Der Zeeman-Effekt wird im einzelnen "beschrieben in"Fundamentals of Optics" von Francis A. Jenkins und Harvey E. White, McGraw-Hill, New York, N.T. 1957, S. 588 bis 595.

Die Linie 30 stellt den Teil der im Gegenuhrzeigersinn sich fortpflanzenden Strahlen in dem Vielfach-Oszillator-System dar, welcher durch den teilweise reflektierenden Spiegel 22 hindurchgehen kann. Diese Strahlen treffen auf den Spiegel 34 und werden durch den Strahlteiler 38 auf eine einzelne Photodiode 40 reflektiert. Die Linie 32 stellt den Teil des im Uhrzeigersinn sich, fortpflanzenden Strahles in dem System dar, welcher durch den Spiegel 22 hindurchgeht und auf den Spiegel 36 fällt, an dem dieser Teil zu dem Strahlteiler 38 reflektiert und in etwa colinear mit der Linie 30 gemacht wird. Die vier gassinsam auf der Photodiode 40 auftreffenden Strahlen erzeugen verschiedene Überlagerungsfrequenzen aufgrund des Frequenzunterschiedes zwischen allen einzelnen Strahlen.

Die Überlagerungsfrequenzen zwischen allen vier Strahlen, die sich gemäß den vier Modi in dem Resonanzhohlraum ausbreiten, werden durch die Photodiode 40 festgestellt, wie es in der parallelen US-Patentanmeldung Serial No. 766 986 angemeldet am 9· Febr. 1977 beschrieben ist, die den Titel trägt "Verfahren zum Verarbeiten der Ausgangsinformation eines Vielfach-Oszillator-Ring-Laser-Kreisels".

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Die Information, welche von den Überlagerungsfrequenzen zwischen den vier Schwingungsmodi erzeugt wird, wird verwandt,um die Umdrehungsgröße des Ring-Laser-Systems zu bestimmen und auch um die Länge des Resonanzhohlraumes zu steuern und die Richtung, d.h. den Drehsinn zu "bestimmen. Eine ins einzelne gehende Beschreibung wie diese Information für diesen Zweck verwandt wird, ist in der oben erwähnten Patentanmeldung angegeben.

Die Steuerschaltung 42 für die Länge des Resonanzhohlraumes gibt an den Leitungen 44 ein Wechselstromsignal für das piezoelektrische Element 20 ab. Dieses Wechselstromsignal bewegt den Spiegel 18 nach innen und außen, d.h. rückwärts und vorwärts parallel zu sich selbst, wobei diese Bewegung eine Änderung der Länge des Hohlraumresonators des Ring-Lasers ergibt. Dies ändert den Ausgang von dem Ring-Laser-System, wie er der Photodiode 40 zugeführt wird mit der gleichen Frequenz wie die Wechselstromkomponente in den Leitungen 44 und dadurch wird eine Rückkopplung zu der Steuerschaltung 42 für die Länge des Resonanzhohlraumes geschaffen. Wie es in der oben erwähnten Parallelanmeldung beschrieben ist, wird diese Rückkopplung durchgeführt, um die Gleichstromkomponente an den Leitungen 44 zu steuern, um die Länge des Ring-Laser-Resonanzhohlraumes für einen maximalen Ausgang zu optimalisieren.

Die Kathoden 46 und Anoden 48 sind über Leitungen 50 mit einer Stromversorgung 52 verbunden. Die Kathoden und Anoden erzeugen ein elektrisches Feld für das Gaslaser-Yerstärkungsmedium, welches ausreicht, um eine durch Anregung hervorgerufene Lichtemission von den Gasatomen aufrechtzuerhalten, um die Ausbreitung

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der Laserstrahlen "beizubehalten. Die Spannung zwischen den Kathoden 46 und Anoden 48 schwingt mit einer konstanten Frequenz, welche durch die Stromversorgung 52 gesteuert wird, um das in der Photodiode erzeugte Ausgangssignal zu verändern. Diese Ausgangsänderung wird in einem Schaltkreis verarbeitet, um die Drehrichtung des Gyroskop_rSystems in Übereinstimmung mit der oben erwähnten Parallelanmeldung zu bestimmen. Der Ausgang von der Photodiode 40 wird auch einer logischen Schaltung 54 zugeführt, um die Größe der Drehung des Ring-Lasers zu bestimmen, wie es sehr genau in der gleichen Patentanmeldung erläutert wird.

Zur Erläuterung der Figuren 2, 5 und 4 wird häufig auf Teile der Fig. 1 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt die dopplerverbreiterfcen Yerstärkungskurven für ein typisches Dual-Isotop-Laser-Plasma, wie es in den von den Spulen 28 umgebenen Röhren gemäß Fig. 1 enthalten ist. Wie oben erwähnt, enthält das Yer— Stärkungsmedium die zwei Isotope Neon 20 und Neon Die Linien 62 und 64 stellen die Yerstärkungs-Frequenz-Kurven von Neon 20 bzw. 22 dar. Die Linie 66 stellt die kombinierte Yerstärkungskurve für die zwei Isotope, d.h. die Summe der Kurven 62 und 64 dar. Die in Fig. 2 gezeigten Kurven sind typisch für eine Verstärkungskurve in einem üblichen Dual-Isotop-Ring-Laser-Plasma, bei dem kein Magnetfeld angewandt wurde, welches das Auftreten des Zeeman-Effekts bewirken würde.

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Die Zeeman-Aufspaltung, wie es in»Fundamentals of Optica', a.a.O., "beschrieben ist, bewirkt bei jeder Verstärkungskurve der !Fig. 2, daß diese in zwei Verstärkungskurven aufgespalten wird, die voneinander im Frequenzraum getrennt sind, wie es in Fig. 3 gezeigt ist. Das Magnetfeld, welches durch den Gleichstrom durch die Spulen 28 erzeugt wird, bewirkt, daß die lichtaussendenden Atome in dem Laser-Verstärkungsplasma so ausgerichtet werden, daß jedes beliebige Atom rechtszirkularpolarisiertes Licht in einer Ausbreitungsrichtung oder linkspolarisiertes Licht in der entgegengesetzten Ausbreitungsrichtung aussenden kann. Ferner bewirkt das magnetische Feld, daß die Frequenz, bei der lichtaussendende Atome Licht aussenden, entweder nach oben oder unten um eine Größe verschoben wird, welche durch die Stärke des Magnetfeldes bestimmt ist.

Die in Fig. 3 dargestellten Kurven 72 und 74 sind Verstärkungskurven, die sich aus dem Aufspalten der Kurve 62 in Fig. 2 ergeben. Die zur Verfugung stehenden, lichtaussendenden Atome, die durch die Verstärkungskurve 72 dargestellt sind, können Licht aussenden, welches linkszirkularpolarisiert ist und sich in der TJhrzeigerrichtung ausbreitet oder welches rechtszirkularpolarisiert ist und sich in der Gegenuhrzeigerrichtung fortpflanzt. Andererseits können die durch die Verstärkungskurve 74 dargestellten Atome rechtszirkularpolarisiertes Licht, welches, sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitet, und linkszirkularpolarisiertes Licht aussenden, welches sich in der Richtung des Uhrzeigersinns fortpflanzt. Ebenfalls stellen die Kurven 76 und 78 als Ergebnis der Aufspaltung der

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Verstärkungskurve 64 die Verstärkung für rechts- bzw. linkszirkularpolarisiertes Licht, welches sich in der Richtung des Gegenuhrzeigersinns ausbreitet, und links- bzw. rechtszirkularpolarisiertes Licht dar, welches sich in der Richtung des Uhrzeigersinns fortpflanzt. Die in Fig. 2 und 3 gezeigten Verstärkungskurven sind zur Erläuterung dargestellt und sind nicht notwendigerweise maßstabsgerecht gezeichnet. Die tatsächliche Zeeman-Aufspaltung der Verstärkungskurven verringert wesentlich die Kopplung von der Art des "Loch-Einbrennens" zwischen den verschiedenen Modi. Wie es bereits oben erwähnt wurde, liegen die notwendigen Feldstärken, um die Zeeman-Aufspaltung bei diesem Vier-Modi-Ring-Laser-Gyroskop hervorzurufen, bei typischerweise etwa 100 Gauss oder weniger.

In Fig. 4· ist die Wirkungsweise der reziprok und nichtreziprok anisotropen Elemente dargestellt, durch die eine Frequenztrennung zwischen den vier Strahlen hervorgerufen wird, welche den vier Resonanzmodi in dem Ring-Laser-Resonanzhohlraum zugeordnet sind. Im Frequenzraum, in dem eine zunehmende optische Frequenz durch die Linie 83 dargestellt wird, stellt die Linie 81 die mittlere Resonanzfrequenz des Ring-Laser-Hohlraum-Resonators dar. Das reziprok anisotrop streuende Element 26 (ein Kristall-Rotator mit natürlicher optischer Aktivität) in dem Strahlengang des Ring-Lasers bewirkt eine Frequenzaufspaltung zwischen links- und rechtszirkularpolarisiertem Licht, d.h. es ruft verschiedene Bedingungen für die Resonanzfrequenz hervor, wie es durch die Linien 92 bzw. 90 dargestellt ist. Eine weitere Frequenzaufspaltung der vier Re so-

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nanzmodi in dem Resonanzhohlraum wird durch, nicht-reziproke anisotrope Streuung in dem Plasma, welche als die oben erwähnte Faraday-Aufspaltung "bezeichnet wird, hervorgerufen, da das Magnetfeld bewirkt, daß sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn fortpflanzende, polarisierte Lichtstrahlen unterschiedliche Brechungsindizes wahrnehmen. Die Linien 82 und 84- stellen das Ergebnis der Faraday-Aufspaltung der durch die Linie 92 dargestellten linkszirkularpolarisierten Laserstrahlen dar. In gleicher Weise zeigen die Linien 86 und 88 die Wirkung der Faraday-Aufspaltung für die durch die Linie 90 dargestellten rechtszirkularpolarisierten Laserstrahlen. Es soll hier darauf hingewiesen werden, daß die Linien 82 und 88 die Frequenzen der sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Strahlen, wie es in Fig. 4-gezeigt ist, wiedergeben. Die Strahlen mit der niedereren und höhereren Frequenz breiten sich somit in der gleichen Richtung in dem Laser-Resonanzhohlraum aus. Wenn die Polarität das magnetischen Feldes durch Umkehren der Stromrichtung in den Spulen 28 umgekehrt wird, wird die Richtung der äußersten Frequenz umgekehrt.

Wie es in Fig. 4- gezeigt ist, können die zwei Strahlen mit den Frequenzen 82 und 84- auf der linken Seite der Darstellung, deren Modus durch linkszirkularpolarisiertes Licht gekennzeichnet ist, derart betrachtet werden, daß sie einem Gyroskop, welches mit GIRO 1 b-ezeichnet ist, zugeordnet sind, während die Strahlen bei den Frequenzen 86 und 88, deren Licht rechtszirkularpolarisiert ist, in ähnlicher Weise ein anderes, mit GYRO 2 bezeichnetes Gyroskop bilden.

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Die typische Trennung, welche sich durch die Faraday-Aufspaltung zwischen den zueinander entgegengesetzt umlaufenden Strahlen in GYEO 1 und GYRO 2 ergibt, liegt zwischen 500 KHz und 1 Mz. In Vier-Modi-Ring-Laser-Gyroskopen, "bei denen der Zeeman-Effekt nicht verwandt wird, ist es im allgemeinen erforderlich, daß die Frequenzen 92 und 90 um einen größeren Abstand als 200 MHz voneinander getrennt werden, um ein Überlappen des "Loch-Einbrennens" in den Verstärkungskurven zu vermeiden. Der Zeeman-Effekt, oder das magnetische Feld, welches ihn in dem Laser-Verstärkungsmedium hervorruft, ermöglicht, daß die Kurven 72, 74, 76 und 78 gemeinsam bei viel näheren Resonanzfrequenzen bei einem Dual-Isotop-Laser-Verstärkungsmedium vorliegen können. Die erhöhte Unabhängigkeit der vier Resonanzmodi hinsichtlich des "Loch-Einbrennens" läßt zu, daß das Maß bzw. die Größe der erforderlichen Aufspaltung durch natürliche optische Aktivität (reziprok-anisotrope Streuung) verringert werden kann, so daß die Frequenztrennung zwischen den Linien 92 und 90 so gering wie 10 MHz sein kann. Demgemäß kann die Größe des Kristallelementes 26 verringert werden. Sowohl die Größe des Elementes 26 als auch die Größe des Magnetfeldes, welches durch den Strom durch die Spulen 28 erzeugt wird, werden optimalisiert, so daß die den Frequenzen 82, 84, 86 und 88 zugeordneten Modi sich gegenseitig nur äußerst wenig beeinträchtigen bzw. beeinflußen.

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Wenn das Ring-Laser-System um eine Achse, die senkrecht zur Ebene des Laser-Strahlenganges verläuft, im Gegenuhrzeigersinn gedreht wird, erhöhen sich die Frequenzen 82 und 88 während die Frequenzen 84· und 86 abnehmen. Da der Ausgang des Gyroskops eine Funktion der !Trennung zwischen den Frequenzen der sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn in dem Laser-Eesonanzhohlraum ausbreitenden Strahlen ist, nimmt der Ausgang von GYRO 1 ab, während derjenige von GIRO 2 zunimmt. Andererseits, wenn das Laser-System in der Uhrzeigerrichtung gedreht wird, nimmt der Ausgang von GYRO 1 zu und derjenige von GYRO 2 ab.

In Fig. 5 ist der Ausgang des Gyroskops graphisch als eine Funktion der Umdrehungsgeschwindigkeit des Ring-Laser-Systems dargestellt. Die Kurven 94· und stellen die Ausgänge von GYRO 1 bzw. GYRO 2 als eine Funktion der Systemdrehung in einem Inertialsystem dar. Die Ausgangssignale von einem Gyroskop werden von den Ausgangssignalen des anderen Gyroskops subtrahiert und in einem logischen Schaltkreis 84-der Fig. Λ verarbeitet, um einen linearen Gesamtausgang und einen doppelten Skalenfaktor für die Systemdrehung zu erhalten. Der Punkt A in Fig. 5 entspricht der Null-Drehung des Laser-Systems, bei der die Ausgänge von GYRO 1 und GYRO 2 in etwa gleich groß sind.

Andere Ausführungsformen des beschriebenen Ring-Laser-Systems und Abwandlungen von diesem liegen innerhalb des Bereichs dieser Erfindung. Beispielsweise können andere Einrichtungen zum Feststellen des Ausgangs

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und zum Verarbeiten der Information verwandt werden, die Anzahl der reflektierenden Elemente im Ring-Laser-Strahlengang kann geändert werden und das magnetische Feld oder die Felder für eine Faraday- und/oder Zeeman-Aufspaltung können durch die Verwendung eines Permanentmagneten erzeugt werden. Es könnte auch eine Einrichtung innerhalb des Laser-Resonanzhohlraumes verwandt werden, um zirkularpolarisiertes Licht in linearpolarisiertes Licht in dem gesamten Laser-Resonanzhohlraum umzuwandeln, mit der Ausnahme des Plasma-Bereiches, wo während des Betriebes die Zeeman-Aufspaltung auftritt.

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Claims (6)

1. PATE N-'VXNWAl-TB A. GRUNECKER

   DtPU-tNO.

   H. KINKELDEY

   DR-INa

   W. STOCKMAIR i. Q ί j 3 3 U K. SCHUMANN

   _e DR HER NAT. ·ΟΛ.-ΡΗΫ3

   P. H. JAKOB

   OPL-INO.

   G. BEZOLD

   OtHEFlNW-WL-CHBM

   8 MÜNCHEN

   MAXIMILIANSTRASSE

   P 12

   Patentansprüche

   Ring-Laser-Gyroskop, welches mit vier zirkularpolarisierten Strahlen mit vier voneinander verschiedenen Frequenzen arbeitet, wobei sich zwei entgegengesetzt zirkularpolarisierte Strahlen in einer Richtung und die zwei anderen entgegengesetzt zirkularpolarisierten Strahlen in der entgegengesetzten Richtung ausbreiten und wobei das Ring-Laser-Verstärkungsmedium zwei verschiedene Gasisotope als seine aktiven Komponenten enthält,und bei welchem eine Einrichtung zum Feststellen der sich durch die Kombination der Strahlen ergebenden Überlagerungsfrequenzen vorgesehen ist, und bei welchem durch eine Einrichtung, welche das Ausgangssignal von der Feststellungseinrichtung empfängt, während des Betriebes Ausgangssignale erzeugbar sind, die ein Maß für die Drehung des Ring-Laser-Gyroskops darstellen, dadurch g e k e η η zeichnet, daß eine Einrichtung (28) vorgesehen ist, durch die das die zwei Isotope aufweisende Verstärkungsmedium einem Magnetfeld (H) aussetzbar ist, dessen Richtung im wesentlichen mit den Strahlrichtungen übereinstimmt, wodurch eine Laserstrahlen aus-

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   (O8&) 22 OH 62 THLEX Ο5-2338Ο TELSaRAMME MONAPAT TEI.EKOP1ERER

   sendende Wirkung bei vier voneinander verschiedenen Frequenzen erzeugbar ist.
2. 2. Ring-Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch g e kennz e i chnet, daß mindestens eine Spule (28) vorgesehen ist» durch welche während des Betriebes ein Gleichstrom fließt, wodurch das Magnetfeld (H) erzeugbar ist, und daß die Spule (28) die das Yerstärkungsmedium enthaltende Laser-Röhre koaxial umgibt.
3. 3-Ring-Laser-Gyroskop nach. Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld (H) zusätzlich zur Erzeugung derjenigen Wirkung, durch die Laserstrahlen mit vier voneinander verschiedenen Frequenzen aussendbar sind, die Funktion übernimmt, unabhängig vom Richtungssinn der Zirkularpolarisation verschiedene Resonanzfrequenzen für zueinander entgegengesetzt gerichtete Strahlfortpflanzungsrichtungen zu schaffen.
4. 4-, Ring-Laser-Gyroskop nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang eine reziprok-anisotrop, streuende optische Einrichtung (26) angeordnet ist, durch die eine Resonanzfrequenz für die Laserstrahlen, welche mit einem Richtungssinn polarisiert sind, und gleichzeitig eine unterschiedliche Resonanzfrequenz für die Laserstrahlen geschaffen wird, welche im entgegengesetzten Rxchtungssinn zirkularpolarisiert sind, und zwar unabhängig von der Strahlausbreitungsrichtung.

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5. 5. Ring-Laser-Gyroskop nach. Anspruch 4·, dadurch, gekennzeichnet, daß die optische Einrichtung (26) ein anisotroper Kristall ist.
6. 6. Ring-Laser-Gyroskop nach Anspruch 5» dadurch, g e kennz eich.net, daß der anisotrope Kristall (26) ein Quarzkristall ist.

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