DE2936302A1 - Ringinterferometer - Google Patents

Ringinterferometer

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DE2936302A1
DE2936302A1 DE19792936302 DE2936302A DE2936302A1 DE 2936302 A1 DE2936302 A1 DE 2936302A1 DE 19792936302 DE19792936302 DE 19792936302 DE 2936302 A DE2936302 A DE 2936302A DE 2936302 A1 DE2936302 A1 DE 2936302A1
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gate
coupled
gates
coupling
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Withdrawn
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DE19792936302
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English (en)
Inventor
Gerhard Dr. 8000 München Schiffner
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01CMEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers

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  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Instruments For Measurement Of Length By Optical Means (AREA)

Description

  • Ringinterferometer
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ringinterferometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
  • In einem derartigen Ringinterferometer wird das reziproke optische Vieltor in der Regel durch einen teildurchlässigen Spiegel realisiert, der in einem Winkel zur Richtung des einfallenden Lichts angeordnet ist. Zur näheren Erläuterung dient die beigefügte Figur, in welcher die für die vorliegende Erfindung wesentlichen Teile eines solchen Ringinterferometers dargestellt sind. Zu diesen wesentlichen Teilen gehören der schon erwähnte teildurchlässige Spiegel, der in der Figur mit 2 bezeichnet ist, der Lichtwellenleiter 1 mit den beiden Koppelstellen 11 und 12, zwei Einkoppeloptiken 7 und 7' und eine Lichtempfangsfläche 41, die beispielsweise die lichtempfindliche Fläche eines lichtempfindlichen Detektors 17 sein kann. Der Lichtwellenleiter 1 ist in der Regel eine Monomode-Glasfaser, deren Stirnflächen die Koppelstellen 11 und 12 bilden. Als Lichtquelle für das Ringinterferometer wird in der Regel eine Laserlicht- quelle verwendet, die in der Figur mit 5 bezeichnet ist und die in eine Richtung R ein Lichtstrahlbündel 50 aussendet.
  • Das Lichtstrahlbündel 50 trifft auf den teildurchlässigen Spiegel 2, der im Winkel zur Richtung R angeordnet ist.
  • Es sei der Einfachheit halber angenommen, daß dieser Winkel 45 ° beträgt. Durch den teildurchlässigen Spiegel 2 wird ein Anteil des im Lichtstrahlbündel 50 geführten Lichts als ein Teilstrahlbündel 51 im rechten Winkel zur Richtung R weggespiegelt, während der übrige Teil des geführten Lichts den Spiegel 2 durchsetzt und sich danach in der gleichen Richtung wie vorher als Teilstrahlbündel 52 ausbreitet. Im Teilstrahlbündel 51 ist die Optik 7 angeordnet, welche dieses Bündel auf die Koppelstelle 11 des Lichtwellenleiters 1 fokussiert, wo es in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt wird. Im Strahlengang des anderen Teilstrahlbündels 52 ist die Optik 7' angeordnet, welche dieses Bündel auf die Koppelstelle 12 des Lichtwellenleiters 1 fokussiert, wo es ebenfalls in den Lichtwellenleiter 1 eingekoppelt wird. Die über die Koppelstellen 11 und 12 eingekoppelten Lichter breiten sich im Lichtwellenleiter 1 zu¢ jeweils anderen Koppelstelle 12 bzw. 11 aus und durchlaufen die Lichtwege der Teilstrahlbündel 52 bzw. 51 in entgegengesetzter Richtung als Lichtstrahlbündel 112 bzw. 111 zum teildurchlässigen Spiegel 2.
  • Ein Lichtanteil des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 112 durchsetzt den Spiegel 2 und breitet sich dahinter in der gleichen Richtung wie vorher als ausgekoppeltes Teilstrahlbndel 112' aus, während der übrige Lichtanteil entgegengesetzt zur Richtung R als TeilstrahlbUndel 112" weggespiegelt wird.
  • Ähnliches gilt für das ausgekoppelte Lichtstrahlbündel 111. Von diesem durchsetzt ein Lichtanteil den Spiegel 2 und breitet sich dahinter in der gleichen Richtung entgegengesetzt zur Richtung R wie vorher als Teilstrahlbündel 111' aus, während der übrige Lichtanteil in die Richtung des ausgekoppelten Lichtstrahlbündels 112 als Teilstrahlbündel 111 " weggespiegelt wird. Die ausgekoppelten Teilstrahlbündel 112 " und 111' sind überlagert und die in ihnen geführten ausgekoppelten Lichter interferieren miteinander. Dasselbe gilt für die ausgekoppelten Teilstrahlbündel 112' und 111''.
  • Im Lichtweg der überlagerten Teilstrahlbündel 112' und 111 " ist die Lichtempfangsfläche 41 angeordnet.
  • Gerade so gut oder zusätzlich könnte auch Licht aus den überlagerten ausgekoppelten Tellstrahlbündel 112'' und 111' einer Lichtempfangsfläche zugeführt werden, was in der Regel zusätzlich mit Hilfe eines im Strahlengang des Lichtstrahlbücdels 50 angeordneten teildurchlässigen Spiegels ausgeführt wird. Für die vorliegende Erfindung ist dies jedoch nicht von Bedeutung.
  • Der teildurchlässige Spiegel 2 kann nun allgemein als spezielles reziprokes optische Vieltor aufgefaßt werden.
  • Ein reziprokes optische Vieltor weist mehrere Tore auf, über die jeweils Licht in das Vieltor ein- und/oder auskoppelbar ist. Licht, das über ein Tor eingekoppelt wird, wird über andere Tore des Vieltores nach einer bestimmten, von dem jeweiligen einen Tor abhängigen Gesetzmäßigkeit wieder ausgekoppelt. Zwischen Toren des Vieltores, zwischen denen eine Lichtübertragung im Vieltor stattfinden kann, treten keine nichtreziproken Laufzeitunterschiede auf. Der hier verwendete und definierte Begriff Vieltor ist als Gattungsbegriff aller optischen Gegenstände zu verstehen, die die soeben definierten Eigen- schaften aufweisen, und zwar in ihrer ganzen Mannigfaltigkeit.
  • Für das Ringinterferometer der eingangs genannten Art muß ein spezielles reziprokes optisches Vieltor verwendet werden, welches die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist.
  • In der Figur sind sämtliche Tore des durch den teildurchlässigen Spiegel 2 realisierten speziellen Vieltores durch Striche angedeutet, die mit I bis IV bezeichnet sind. Es handelt sich danach speziell um ein Viertor. In der Figur ist das eine Tcr, über welches Licht in das Vieltor einkoppelbar ist, durch das Tor I gegeben. Die beiden Tore, über die jeweils ein Anteil von ber das eine Tor I eingekoppelten Lichts aus detn Vieltor wieder auskoppelbar ist, ist durch die Tore II und III gegeben. Diese beiden Tore II und III bilden auch die beiden Tore, über die jeweils wieder Licht in das Vieltor einkoppelbar ist. Das Tor, über welches zumindest ein Anteil von Licht, das über das eine, und ein Anteil von Licht, das über das andere der beiden Tore II und III eingekoppelt worden ist, überlagert auskoppelbar sind, ist durch das Tor IV oder das Tor I gegeben.
  • Es kann bei dem Ringinterferometer prinzipiell jede Realisierung des speziellen reziproken optischen Vieltores verwendet erden. Neben der bekannten Realisierung durch den oben beschriebenen teildurchlässigen Spiegel 2 ist auch schon eine andere Realisierung vorgeschlagen worden, nämlich ein mit Lichtwellenleitern aufgebauter optischer Richtkoppler (siehe dazu P 2804 119.2 (VPA 78 P 7006 BRD)).
  • Solche Ringinterferometer werden als Rotationssensor zum Nachweis von Rotationen und zum Messen deren Winkelgeschwindlgkeit verwendet. Es wird dabei der relativistische Sagnac-Effekt ausgenutzt, der nichtreziproke Laufzeitunterschiede im Lichtwellenleiter verursacht, die bei einer Rotation des Interferometers auftreten und die proportional zur Winkelgeschwindigkeit dieser Rotation sind.
  • Es hat sich herausgestellt, daß bei Anwendung eines solchen Ringinterferometers als Rotationssensor eine Rotation vorgetäuscht wird, deren Ursache in gewissen UnzulänglicAkeiten des Ringinterferometers selbst liegt.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es nun, elr. solches als Rotationssensor betreibbares Ringinterferometer der eingangs genannten Art anzugeben, bei der eine Quelle für eine vorgetäuschte Rotation ausgeschaltet ist.
  • Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.
  • Dieser Lösung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein ideales, d.h. verlustloses Vieltor nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 zwar Phasenverschiebungen zwischen Lichtern, die über verschiedene Tore ein- oder ausgekoppelt werden, verursacht werden können, daß derartige Phasenverschiebungen aber genau bestimmt und unabhängig von der Einfallsrichtung solcher Lichter sind. Derartige Phasenverschiebungen können daher bei der Messung ohne weiteres berücksichtigt werden, so daß das Meßergebnis keine vorgetäuschten Rotationen enthält.
  • Ist das Vieltor dagegen nicht vernachlässigbar verlustlos, wie dies beispielsweise bei teildurchlässigen Spiegeln, die mit Metallschichten gebildet sind, oder dem erwähnten optischen Richtkoppler der Fall sein kann, dann können zusätzliche Phasenverschiebungen auftreten, die eine Rotation vortäuschen. Diese zusätzlichen Phasenverschiebungen sind nicht von vorne herein bestimmt und können auch nicht durch eine allgemein gültige Beziehung angegeben werden. Obwohl sie anhand des Aufbaus des Vieltores berechnet werden können, sind sie dennoch nicht vollständig bestimmt, weil sich die Verluste des Vieltores im Laufe der Zeit oder mit der Temperatur ändern können, wodurch diese zusätzlichen Phasenverschiebungen Funktionen der Zeit sind.
  • Wird also ein Vieltor verwendet, dessen Verluste vernachlässigbar klein sind, so sind es auch die dadurch verursachten Phasenverschiebungen, die deshalb nicht korrigiert zu werden brauchen.
  • Als Vieltor mit vernachlässigbar kleinen Verlusten wird zweckmäßigerweise ein teildurchlässiger Spiegel verwendet, der aus mehreren dieiektrischen Schichten besteht. Derartige teildurchlässige Spiegel können heute mit sehr geringen Verlusten, die kleiner als ein Promille sind, realisiert werden, indem die dielektrischen Materialien und die Schichtdicken geeignet aufeinander abgestimmt werden.
  • Beispielsweise besteht ein Strahlteiler für sichtbares Licht oder für Strahlung im nahen Infrarotbereich aus einem gut polierten planparallelen oder leicht keilförmig geschliffenen Glasplättchen, das auf der einen Seite mehrere dielektrische Schichten mit etwa einer Viertel Wellenlänge optischer Dicke trägt. Die Schichten bestehen beispielsweise abwechselnd aus Siliziumdioxid oder Titandioxid. Auf der anderen Seite des Plättchens wird eine auf die Wellenlänge, auf den Einfallswinkel und auf den Polarisationszustand abgestimmte Entspiegelungsschlcht aufgebracht. Strahlteilerschichten dieser Art wurden z.B. in der Arbeit "H.F. Mahlein, Design of beam splitters for optical fiber tapping elements, Siemens Forschungs- und Entwicklungsberichte, Band 8 (1979) Nr. 3, Seiten 136 - 140", beschrieben.
  • 2 Patentansprüche 1 Figur Leerseite

Claims (2)

  1. Patentansprüche Ringinterferometer mit einem Lichtwellenleiter, der zwei getrennte Koppelstellen aufweist, über die Licht in ihn einkoppelbar ist, das sich in ihm zur jeweils anderen Koppelstelle ausbreitet, wo es wieder auskoppelbar ist, mit einem reziproken optischen Vieltor, das ein Tor aufweist, über das Licht in das Vieltor einkoppelbar ist, zwei Tore, über die jeweils ein Anteil von über das eine Tor eingekoppelten Lichts aus dem Vieltor wieder auskoppelbar ist, weiter zwei Tore, über die jeweils wieder Licht in das Vieltor einkoppelbar ist, sowie zumindest ein Tor, über welches zumindest ein Anteil von Licht, das über das eine und zumindest ein Anteil von Licht, das über das andere der beiden Tore, über die Licht einkoppelbar ist, eingekoppelt worden ist, überlagert auskoppelbar sind, und mit zumindest einer Lichtempfangsfläche, wobei eine der beiden Koppelstellen in einem Lichtweg angeordnet ist,auf dem sich Licht ausbreitet, das von einem der beiden Tore, über die Licht aus dem Vieltor auskóppelbar ist, ausgekoppelt wcrden ist, und die andere Koppelstelle in einem Lichtweg angeordnet ist, auf dem sich Lichdausbreitet, das von dem anderen dieser beiden Tore ausgekoppelt worden ist, wobei eines der beiden Tore, über die Licht in das Vieltor einkoppelbar ist, in einem Lichtweg angeordnet ist, auf dem sich Licht ausbreitet, das über eine Koppelstelle aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt worden ist und das andere dieser beiden Tore in einem Lichtweg angeordnet ist, auf dem sich Licht ausbeitet, das über die andere Koppelstelle aus dem Lichtwellenleiter ausgekoppelt worden ist und wobei die Lichtempfangsfläche in einem Lichtweg angeordnet ist, auf dem sich Uberlagertes Licht ausbreitet, das aus dem einen Tor ausgekoppelt worden ist, aus dem Uberlagertes Licht aus dem Vieltor auskoppelbar ist, g e k e n n z e i c h n e t d u r c'h ein Vieltor (2), das höchstens vernachlässigbar kleine Verluste aufweist.
  2. 2. Ringinterferometer nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als Vieltor (2) ein teildurchlässiger Spiegel verwendet ist, der aus mehreren dielektrischen Schichten besteht.
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