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Ringinterferometer
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Ringinterferometer
nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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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.
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Das Lichtstrahlbündel 50 trifft auf den teildurchlässigen Spiegel
2, der im Winkel zur Richtung R angeordnet ist.
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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.
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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.
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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''.
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Im Lichtweg der überlagerten Teilstrahlbündel 112' und 111 " ist die
Lichtempfangsfläche 41 angeordnet.
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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.
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Der teildurchlässige Spiegel 2 kann nun allgemein als spezielles reziprokes
optische Vieltor aufgefaßt werden.
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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.
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Für das Ringinterferometer der eingangs genannten Art muß ein spezielles
reziprokes optisches Vieltor verwendet werden, welches die im Anspruch 1 angegebenen
Merkmale aufweist.
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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.
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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)).
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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.
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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.
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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.
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Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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2 Patentansprüche 1 Figur
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