DE2939804A1

DE2939804A1 - Ringlaser

Info

Publication number: DE2939804A1
Application number: DE19792939804
Authority: DE
Inventors: Jun David C Grant; Thomas J Hutchings
Original assignee: Litton Systems Inc
Current assignee: Northrop Grumman Guidance and Electronics Co Inc
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1979-10-01
Publication date: 1980-04-10
Also published as: JPS5910078B2; IT1164049B; IT7950401A0; SE7908117L; JPS5548989A; SE449664B; GB2032169A; CA1133615A; FR2438357B1; FR2438357A1; CH651157A5; JPS5821385A; IL57936A; GB2032169B; JPS584475B2

Description

Beschreibung

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser.

Ea ist bekannt, einen planaren Ringlaser als Gyroskop zu verwenden. Ringlaserkreisel haben im typischen Fall einen dreiseitigen oder vierseitigen Laserweg. Der Laserweg verläuft gewöhnlich in einer Laserstrahlen aussendenden Kammer» die auf Bohrungen beschränkt ist, welche in einem gewöhnlich aus hochstabilem Glas hergestellten Lasergehäuse in der allgemeinen Konfiguration des Laserweges geformt sind.

Dort, wo die Bohrungen der Laserkammer und der Laserweg ihre Richtung ändern, sind die Laserspiegel angebracht. Sie Bohrungen verlaufen von Spiegel zu Spiegel und sind genügend weit, um eine Vignettierung des Laserlichte3 zu verhindern.

Um den Ringlaser zu zwei Laserstrahlen in entgegengesetzten Richtungen anzuregen, ist es üblich, irgendwo am Lasergehäuse wenigstens eine Kathode anzubringen und an dem Lasergehäuse Anoden zusammen mit Leitungen vorzusehen, die die Anoden und die Kathoden in den Laserbohrungen in einer geometrischen Form verbinden, so daß eine Bewegung von Ionen und Elektronen zwischen der Kathode und den Anoden das Laserphänomen hervorruft.

Das Lasergas in den Bohrungen ist in einem typischen Pail ein Helium-Neon-Gemisch unter sehr geringem Druck. An die Kathode und die Anoden wird eine ausreichend hohe Spannung angelegt, um das Gas zwischen der Kathode und den Anoden zu ionisieren, so daß eine Elektronenwanderung von der Kathode zur Anode und eine Wanderung positiver Ionen von den Anoden zur Kathode in den Verstärkungsbohrungen mit Lasergas stattfindet, wodurch das Lasergas angeregt wird, um dann durch Einstellen der Laserlänge für die spezielle gewünschte Laserfrequenz abgestimmt zu werden.

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Gewöhnlich wünscht man, daß nur der TEM₀Q-Modus, d.i. der Schwingungsmodus auf der Achse, vorhanden ist. Zu diesem Zweck ist einer der Spiegel abgeblendet, um die außeraxialen Schwingungsmoden in dem Laserweg zu unterdrücken.

Wenn zwei Iaser3chwingungen zur gleichen Zeit auftreten, von denen die eine mit dem Licht in einer ersten Richtung rund um den Laserweg wandert und die andere mit dem Licht in der anderen Richtung um den Laserweg läuft, kann ein derartiger Laser bekanntlich als Gyroskop oder Kreisel verwendet werden, um eine Drehung des Lasergehäuses um eine zur Ebene der Laserwege senkrechte Achse festzustellen.

Um die Länge des Laserweges abzustimmen, ist es üblich, einen der Spiegel nach innen zu bewegen, etwa mit Hilfe eines Schraubenmechanismus, bis die Schwingungsamplitude ein Maximum hat. Der Ausgang des Lasers durch einen der Spiegel, der teildurchlässig ist, kann dazu benützt werden, die Position des Abstimmspiegels einzuregeln.

Der Laserstrahl wird außerdem im typischen Pall mit Hilfe eines Spiegels mit großem Radius fokussiert, um einen Laserstrahl mit praktisch gleichmäßigem Querschnitt zu erzeugen. Dieses Vorgehen ist in den Pig.2 bis 4D der Veröffentlichung "The laser" von William V. Smith und Peter P. Sorokin, MaoGraw Hill, 166 gezeigt.

In ihrer bevorzugten Ausführungsfora betrifft die Erfindung eine Modifikation des Lasers durch Anbringen eines großen konkaven Spiegels an dem Schnittpunkt der zwei Zweige des Laserweges und durch Kippen des symmetrisch angeordneten, abgeblendeten Spiegels unter einem Pyramidenwinkel. In einem vierseitigen Laserweg ist es beispielsweise der Planspiegel gegenüber dem Konkavspiegel, der abgeblendet und gekippt ist. Der gekippte Planspiegel und der Konkavspiegel werden zusammen auf- und abbewegt, bis die richtige Laserschwin-

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gung auftritt. Dann werden 3ie an ihrem Platz befestigt. Die Kippung beträgt in einem typischen Pail zwischen einer und drei Bogenminuten, je nach der Wellenlänge des Laserlichtes, dem Durchmesser der Verstärkungsbohrung und dem Modenvolumen der Laserschwingung. Man muß in der Lage sein, die Länge des Hohlraumes um wenigstens eine halbe Wellenlänge zu verändern, ohne daß dadurch das Modenvolumen durch die Verstärkungsbohrungen beeinträchtigt und ein merklicher Verlust in der Laserleistung verursacht wird. Da3 Kippen eines Spiegels, um die Länge des Laserweges zu variieren, bewirkt auch, daß die Ebene des Laserweges um den gleichen Kippwinkel wie der Spiegel nach oben gekippt wird. In einem Gyroskop muß die Meßachse senkrecht zur Ebene des Laserweges sein. Um einen als Kreisel brauchbaren Laser herzustellen, muß dann also auch die Basis des Gyroskops um den gleichen Kippwinkel abgeschrägt werden, so daß die Montageplatte parallel zur Ebene der Laserwege liegt.

Aufgrund der erfindungsgemäß verbesserten Ausrichtung kann das Ringlaser-Gyroskop sehr klein gemacht werden, wobei die Länge jeder Seite des Laserweges merklich kleiner als ein Zoll (2,5 cm) ist. Bei einem derartig kleinen Laser ist die Kathode des Lasers vorzugsweise von der gleichen Größenordnung wie der Laserblock selbst. Sie Kathode muß groß genug sein, um einen adäquaten Strom in den Verstärkungsbohrungen des Laserweges zu erzeugen und dadurch die erforderliche Energie dem Laser zuzuführen. In einem typischen Beispiel ist am Boden des Laserblockes ein Kathodenblock angefügt, der eine halbkugelige Kathode hat, die auf der Oberfläche einer in dem Kathodenblock geformten halbkugeligen Höhlung aufbeschichtet ist. Vom Mittelpunkt der die Xathodenflache bildenden Kugel läuft ein Kanal nach oben in asu Laserblock und von dort direkt nach außen zum Laserring. Zwei Anoden sind symmetrisch angeordnet,, um den Elektronen- und Ionenpfad aufzuspalten, so daß er in zwei Richtungen durch die Verstärkungsbohrungsabschnitte des Laserweges läuft. Die

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Anoden sind außerhalb des Laserweges angeordnet und ein Kanal ist in dem Laserblock ausgebildet, der die Oberfläche der Anoden mit dem Laserweg verbindet.

Beim Anlegen einer Spannung zwischen die Kathode und die Anoden tritt in der Kathodenhöhlung und aufwärts durch den annähernd vertikalen Kanal, von dort nach außen zu den Laserwegen, und weiter entlang den Verstärkungsbohrungen der Laser— wege in beiden Richtungen und von da zu den Oberflächen der Anoden eine Ionisation des Gases auf.

Um den Laser mit seiner Meßachse senkrecht zur Ebene des Laserwegea auszurichten, kann die Ebene des Bodens dea Kathodengehäuses parallel zur Ebene des Laserwegea konstruiert werden, damit der Kreisel leicht auszurichten ist.

Die Erfindung bezweckt deshalb, einen verbesserten optischen Resonator mit einer neuen Abstimmkonstruktion zu schaffen.

Weiter will die Erfindung einen Ringlaser abstimmen.

Ziel der Erfindung ist es, einen Ringlaser vorzusehen, der so konstruiert ist, daß er als Gyroskop verwendet werden kann·

Ein bevorzugter Erfindungsgedanke umfaßt einen Ringlaser, bei dem der Laeerweg praktisch quadratisch ist und die Weglänge dadurch einstellbar ist, daß einer der Spiegel leicht gekippt und einer der Spiegel konkav ist, wobei wenigstens der Konkavspiegel verschiebbar ist.

Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnungen. Darin zeigen:

Pig.1 eine Außenansicht eines typischen Laserblockes und Kathodenblockes, die aneinander befestigt sind, wo-

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bei der Evakuierungsstutzen abgeschmolzen gezeigt iat;

Fig.2 eine Schnittansicht nach der linie 2-2 in Pig.1; Pig.3 eine Ansicht von oben nach der Linie 3-3 in Fig.1;

Fig.4 eine Skizze des Strahlengangs, die eine bevorzugte Auaführungsform eines Konkavspiegels und des ihm gegenüberliegenden Planspiegels in dem Gerät der Pig.1 veranschaulicht;

Pig.5 eine Skizze, die die Beziehung der Krümmung des Konkavspiegels zur Verschiebung der Laserschwingungsebene zeigt;

Fig.6 ein Schema des Strahlengangs, das die Verschiebung der Laserstrahlen mit der Verschiebung des Konkavspiegels und des gekippten Planspiegels zeigt;

Pig.7 eine vergrößerte Darstellung des Bereiches bei 7 in Fig.6;

Pig.8 eine Verdeutlichung der Anwinklung der Basis des Kathodenblockes zu einer Kontur parallel mit der Laserebene, um den Ringlaser als Gyroskop verwendbar zu machen.

In den Fig. ist ein bevorzugtes Ausfuhrungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hinglasers gezeigt, das als Gyroskop verwendet ist. Der Ringlaser hat einen Laserblock 10 und einen Kathodenblock 12 vorzugsweise aus einem glaskeramischen Material. Beispiele für brauchbare Glaskeramikmaterialien sind unter den Handelsbezeichnungen CERVIT, ZERODUR und ULE bekannt. Diese Materialien haben im Nutzbereich des Lasers praktisch die Expansion Null. Der Laserblock 10 bildet den Laserweg 14. Der Kathodenblock 12 trägt eine Kathode 16 und der Laserblock 10 haltert zwei Anoden 52 und 54. Eine Spannung zwischen der Kathode und den Anoden ionisiert das Lasergas, um Energie für das Lasern zu liefern. Eine Energiequelle zum Anlegen der Spannung zwischen die Anoden 52, 54· und

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die Kathode 16 ist nicht gezeigt, doch kann jede passende Gleichspannungsquelle verwendet werden, wobei die positive Spannung an die Anoden 52 und 54 und die negative Spannung an die Kathode 16 gelegt wird. Der Laserblqck 10 und der Kathodenblock 12 werden durch den Atmoaphärendruek und ein Dichtmittel, beispielsweise Indiumlot, zusammengehalten.

Der bevorzugte Laserweg 14 ist ein rachteckiger Laserweg und insbesondere ein annähernd quadratischer Laserweg, wie er in den Pig. gezeigt ist. Der Laserblock iet typischerweise quadratisch, jedoch können unbenutzte Teile des Blockes nach Wunsch abgeschnitten werden, um die Herstellungskosten zu verringern und die Fabrikation zu erleichtern, so daß ein Block, wie dargestellt, in der Form eines Achteckes entsteht. An vier Seiten des quadratischen Laserblockes oder an jeder zweiten, nicht aneinandergrenzenden Seite des achteckigen Laserblockes sind an den Schnittstellen der Laserzweige vier Spiegel 22, 24, 26 und 28 angebracht, die innen Spiegelflächen haben, um den Laserstrahl zu reflektieren. Mindestens einer der Spiegel ist teildurchlässig, um den Laserstrahl austreten zu lassen, wenigstens einer der Spiegel ist abgeblendet, um die Erzeugung von außeraxialen Schwingungsmoden zu verhindern, und einer der Spiegel 22 ist konkav mit einem passenden Krümmungsradius, um den Laserstrahl zu fokussieren.

Das Lasern in dem Laaerweg erfolgt in einem Helium-Neon-Gasgeaiisch unter sehr geringem Druck von 3,2 Torr. Das Gasgemisch enthält im typischen Fall 20 Teile Helium auf 1 Teil Neon 20 und 1 Teil Neon 22. Um das Laaergas im Laserweg einzuaperren, sind vier annähernd koplanare Kanäle 30a,b,c und d in den Laserblock 10 gebohrt, die die Spiegel verbinden. Der Durchmesser der Kanäle ist groß genug, um die Ebene des Laserstrahls verschieben und um einen kleinen Winkel, beispielsweise in der Größenordnung von 3 bis 5 Bogenminuten, kippen zu können, ohne den Laserstrahl zu stören. Die Kanä-

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le können auch parallel zum Laserstrahl gekippt sein.

In dem Bereich, dessen Umfang von dem Laserweg begrenzt wird, und vorzugsweise in der Mitte des Laserblocks 10, befindet sich ein Kanal, der senkrecht zur Ebene der Kanäle 30a,b,c und d verläuft. Dieser Kanal hat zwei Abschnitte, nämlioh 32, der zur Oberseite des Laserblocks führt, und 34, der zu der von der Kathodenoberfläche 16 geformten Höhlung führt. Die Kanäle 32 und 34 sind mit den Kanälen 30a,b,c und d durch einen Kanal 36 verbunden, der in einem typischen Beispiel annähernd in der Ebene der Kanäle 30a,b,c und d liegt.

In den Bereichen der Spiegel 22, 24, 26 und 28 befinden eich vier Kammern 38, 40, 42 und 44, die die Endbereiche für die Zweige 30a,b,c und d der Laserkanäle darstellen und groß genug sind, um eine Interferenz mit dem Laserlicht zu verhindern. Die Kammer 40 ist über den Kanal 36 mit den Kanälen 32 und 34 verbunden.

Der Kanal 34 ist vorzugsweise mittig auf der halbkugeligen Kathodenfläche 16 angeordnet, doch kann im Rahmen der Erfindung der Kanal 34 auch nicht in dieser Weise zentriert sein. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel verläuft der Kanal 34 senkrecht zur Ebene des Laserweges 14a,b,c und d, doch umfaßt die Erfindung auch eine Schrägstellung des Kanals 34· Der Kanal 32 erstreckt sich zur Außenfläche des Laserblockes 10, wo er von einem Glas- oder Metallstutzsn umgeben ist, der mit dem Laserblock abgedichtet ist. Weiter sei darauf verwiesen, daß der Kanal 32 zum Evakuieren dar Kanäle dient und seine Lage im Zentrum des Laserblocks nicht erfindungswesentlich ist. Es ist jedoch zweckmäßig, die Kanäle 32 und 34 mit eine.m einzigen Durchgang eines geeigneten Glasbohrer kollinear zu formen. Ferner sei erwähnt, daß der Kanal 32, obwohl er senkrecht zur Bahn des Laserweges 14a,b,c und d dargestellt ist, nach Wunsch auch schräg dazu verlaufen kann.

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Der Stutzen 50 dient zum Evakuieren des Systems und zum Füllen mit dem erforderlichen Gas unter niedrigem Druck. Wenn der Stutzen 50 aus Metall ist, kann er auch als Anode benutzt werden. Zu beachten ist, daß der Kanal 32 über den Kanal 34 mit dem Bereich in der Kathodenfläche 16 verbunden 1st und über den Kanal 36 mit den Laserkanälen 30a,b,c und d. An den Stutzen 50 kann eine nicht gezeigte Säugpumpe angeschlossen sein, um die Luft aus dem System zu entfernen. Ferner kann ein nicht gezeigtes Getter in dem Stutzen 50 oder im Bereich von an den Stutzen 50 angeschlossenen Kanälen (nicht dargestellt) nächst dem Stutzen 50 angeordnet sein. Nachdem das System evakuiert und gegettert ist, wird daa erforderliche Lasergas in das System unter sehr geringem Druck eingefüllt und der Stutzen wird abgeschmolzen, um daa System dichtend zu verschließen. Der Kathodenblock 12 wird am Laserblock 10 sowohl durch das entstandene Vakuum in der von der Kathodenfläche 16 gebildeten Kammer als auch durch ein Dichtungsmaterial, beispielsweise Indiumlot, festgehalten.

Im Bereich der Kammern 38 und 42 sind zwei Anoden 52 und 54 angebracht, die metallische Leiter sind und sich von der Aus-Benseite des Laserblocks 10 nach innen in die Kammern 38 und 42 erstrecken.

Venn an die Anoden 52 und 54 eine positive Spannung und an die Kathode 16 eine negative Spannung angelegt wird, beginnen Elektronen und Ionen von der Kathode zur Anode bzw. von der Anode zur Kathode zu wandern auf dem Weg, der durch die von der Kathode 16 gebildete Kammer, die Xanäle 34 und 36 zur Kammer 40 verläuft. In der Kammer 40 spaltet sich der Weg auf und ein Teil der Ionen-Elektronen-Drift geht in der einen Richtung durch eine Verstärkungsbohrung von der Kammer 40 zur Kammer 38 und von dort zur Anode 52. Der andere Teil der Drift geht von der Kammer 40 durch die Verstärkungsbohrung 30b zur Kammer 42 und von dort zur Anode 54. Die Bewegung der Elektronen und Ionen in den beiden Richtungen in

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den Verstärkungsbohrungen des vorgesehenen Laserweges regt die darin befindlichen Gase auf eine höhere Energiestufe an» von der sie auf eine niedrigere Energiestufe zurückfallen und dabei Licht mit der Frequenz erzeugen, auf die der Laserweg abgestimmt ist. Der Laser erhält also seine Energie von der Quelle, die an die Kathode 16 und die Anoden 52 und 54 angeschlossen ist.

Im typischen Fall wird die Länge des Laserhohlraumes dadurch abgestimmt, daß der gekrümmte und der abgeblendete Spiegel beweglich gemacht werden. Einer der beiden beweglichen Spiegel wird unter einem Pyramidenwinkel gekippt, so daß eine Auf- und Abbewegung dieses Spiegels ihn auch relativ zum Laserweg nach innen und außen verschiebt, um das Laser signal auf den Höchstwert einzustellen»

In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist jedoch der abgeblendete Spiegel unter einem kleinen Pyramidenwinkel, beispielsweise zwischen 3 und 5 Bogenminuten, nach innen gekippt, so daß durch ein Verschieben des Konkavepiegels 22 in einer zu den Kanälen 30a,b,c und d senkrechten Richtung und des abgeblendeten Spiegels 26, um die Blendenöffnung in dem Laserweg zu halten, der Laserweg verlängert and verkürzt werden kann.

Der Pyramidenwinkel zwischen zwei Ebenen ist definiert als 90° minus dem Dihedralwinkel zwischen diesen Ebenen. Der Dihedralwinkel wird von dem "Mathematics Dictionary·· 3. Ausgabe von James u. James, veröffentlicht bei VanHostrand ft Company, wie folgt definiert: "Die Kombination einer Linie und zweier Halbebenen, die diese Linie als eine gemeinsame Kante haben. Die Linie ist die Kante des Dihedralwinkels und die Kombination der Linie mit einer der beiden Ebenen ist eine Fläche. Der ebene Winkel eines Dihedralwinkela ist ein Winkel, der von den zwei Strahlen gebildet wird, die die Schnittlinien der Flächen des Dihedralwinkels und einer zu

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der Kante senkrechten Ebene sind. Alle zwei ebenen Winkel sind kongruent. Das MaS eines Dihedralwinkels ist das Maß eine3 seiner ebenen Winkel." Der Dihedralwinkel zwischen dem gekippten Spiegel und der von den Kanälen 30a,b,c und d und den "beiden parallelen Planspiegeln an den Spiegelblöcken 24 und 28 definierten Ebene ist nur wenig kleiner als 90 und weicht von 90° um den Pyramidenwinkel der Ebene des gekippten Spiegels ab, der im typischen Pail sehr klein ist. Der Pyramidenwinkel wird von der Laserwe11enlänge, dem Verstärkungsbohrungsdurchmesasr und dem Modenvolumen der Laserschwi^gung diktiert. Es muß möglich sein, die I&nge der Höhlung um wenigstens eine halbe Wellenlänge des Laserlichtes zu verändern, ohne daß dadurch das Modenvoluaten durch die Verstärkungsbohrungen in einer Weise beeinträchtigt wird, daS ein merklicher Verlust der Laserleistung verursacht wird. Wenn der Konkavspiegel nach oben und unten geschoben wird, wird der Laserweg ebenfalls auf- und abbewegt, wodurch er auf einen anderen Teil des gekippten Spiegels auftrifft und dieser Teil einen kürzeren oder längeren Weg für den Laserstrahl bildet. Durch das Auftreffen auf einen anderen Teil des gekippten Spiegels würde der achsnahe Strahl durch die Lochblende abgeblendet, wenn nicht der gekippte Spiegel ebenfalls verschoben wird, um die Blendenöffnung wieder mit dem Laserstrahl auszurichten.

Wenn die Spiegelflächen aller Planspiegel 24, 26 und 28 senkrecht zu der gleichen Ebene stünden, die durch die Ebene der Kanäle 30a,b,c und d definiert ist, würde eine Bewegung des Konkavapiegels 22 nach oben und unten lediglich den Laserstrahl nach oben und u_nten verschieben, ohne die Länge des Laaerv/eges zu ändern. Da jedoch die Planfläche des Spiegels 26 unter einem Pyramidenwinkel gekippt i3t, wird die gesamte Fläche des Laserwegea um einen kleinen Pyramidenwinkel nach oben gekippt, so daß die Ebene uer einfallenden und reflektierten Laserstrahlen am gekippten Spiegel senkrecht zur Fläche des Spiegels iat. Dadurch wird die Schnittstelle des

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Laserstrahles und des konkaven Teils des Konkavspiegels 22 auf der konkaven Spiegelfläche verschoben. Wenn die konkave Fläche eine sphärische Fläche ist, wird das Ausmaß der Verschiebung durch den Radius des Konkavapiegels und die erwähnte Pyramidenwinkelkiopung des Planspiegels 26 bestimmt.

Alternativ kann der die konkave Spiegelfläche tragende Block 22 um einen kleinen Pyramidenwinkel nach innen gekippt sein, so daß nicht durch eine Auf- und Abbewagung, sondern durch eine Einwärtsbewegung um den kleinen Pyramidenwinkel die Länge des Laserweg93 verändert wird und die Schnittstelle des Laserstrahles auf den Spiegeln 24, 26 und 28 verschoben wird. Der Spiegel 26 muß ebenfalls nach oben und unten geschoben werden, um die Blendenöffnung mit dem neuen Laserweg zu fluchten. Sie Kanäle, die den Laserweg bilden, müssen weit genug sein, um die beschriebenen Veränderungen der Position möglich zu machen.

Mit Hilfe der beschriebenen Konstruktion kann ein sehr kleiner Laserkreisel konstruiert werden. Die Summe der Längen der vier Seiten 14a,b,c und d kann beispielsweise nominell 6,8 cm betragen.

Die Kathodenfläche 16 kann in einem typischen Beispiel aus Aluminium sein, und an dem Aluminium kann bei 60 und 62 ein Indiumlot angebracht 3ein, so daß die negative Spannung an die Aluminiumkathode 16 angelegt werden kann.

Dar Stutzen 50 zum Evakuieren und Füllen ist in einem typischen Fall aus einem Glasrohrstück gefertigt, das am Unterende trichterartig erweitert ist, um ein mit Radiofrequenz gezündetes Getter aufsunehmen. Alternativ kann der Evakuierungs- und Füllstutzen auch kleiner sein als in der Darstellung. Er kann auch au3 Metall sein und in diesem Fall als Anode dienen.

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Die Montageflächen des achteckigen Laserblocks 10 sind in einem typischen Beispiel nur 1 cm von Rand zu Rand und die Spiegelblöcke 22, 24, 26 und 28 haben im typischen Pail einen Durchmesser von 0,8 cm oder weniger. Die Spiegelflächen selbst betragen im typischen Pail 7,75 mm im Durchmesser und haben eine typische Dicke von 4 mm. Die gekrümmte Konkavapiegelfläche des Blocks 22 hat einen sehr langen Krümmungsradius in der Größenordnung von 60 cm. Der Spiegel 26 ist mit einer lochblende versehen, um sicherzustellen, daß die außeraxialen Moden unterdrückt werden, während der achsnahe TEMqq-Hodus lasern kann. Das lasern findet am besten statt, wenn die öffnung des gekippten Spiegels 26 so ausgerichtet iat, daß der Strahl, der senkrecht zu der Außenseite der Blende am Spiegel 26 verläuft, auch auf einem Radius des gekrümmten Spiegels 22 liegt. Die Spiegelblöcke 22, 24, 26 und 28 sowie der Kathodenblock 12 sind in einem typischen Beispiel mit Indium-Goldmetall-Dichtungen abgedichtet. Der Körper des Laserblocks 10 ist aus einem glaskeramischen Material, das in dem gewünschten Temperaturbereich einen extrem niedrigen Expansionskoeffizienten von vorzugsweise Null hat.

Das Reflexionsvermögen des Spiegelbelages ist im typischen Pail in der Größenordnung von 99,94 $>· Die Durchlässigkeit beträgt typischerweise weniger als 0,1 56 und die Streuverluste liegen im typischen Beispiel in der Größenordnung von 100 ppm. Ein typischer unterer Schwellenwert des Anoden-Kathodenstroms für das Lasern ist in der Größenordnung von 1/2 bis 2 1/2 mA. Die Abstiaaung geschieht durch Befestigen der Spiegelblöcke mit Wachs und Bewegen der Spiegelblöcke und 26. Wenn dann der Laser abgestimmt ist, werden die Positionen der Spiegelblöcke geae33en, die Spiegel und das Wachs werden entfernt und dann die Spiegelblöcke mit einem Indium-Goldlot als Dichtungsmittel genau an Ort und Stelle festgelötet.

Die Resonanzfrequenz ist eine optische Frequenz, die typi-

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scherweise in der Größenordnung von 10 Hz liegt. Im normalen Gebrauch wird angestrebt, daß die Resonanzfrequenz des Hohlraums auf die Mitte der Verstärkungskurve oder so nahe als möglich an dieser Mitte auf einen Bruchteil der Wellenlänge abgestimmt wird. In den Fig. 4, 5» 6, 7 und 8 ist der Pyramidenwinkel mit dem Symbol Ji bezeichnet. In Pig.6 sind zwei Laserwege gezeigt, von denen der eine durch die Bezugsziffern 14a,b,c und d und der andere durch die Bezugsziffern 14e,f,g und h gekennzeichnet ist. Die Laserwsgatrecke ist nominell ein Quadrat, aber durch die Bewegung des Laserweges verändert sich die Weglänge von der durch 14a,b,c und d gezeigten zu der durch den längeren Weg 14e,f,g und h dargestellten. Die Beziehung zwischen der Spiegelbewegung und der Weglänge ist in Pig.7 mehr graphisch gezeigt. Es bestehen zwei Einschränkungen: 1. Der Laserstrahl darf nicht durch die Laserbohrungen 30a,b,c und d vignettiert werden und 2. der Strahl muß innerhalb der Blendenöffnung des Spiegels am Spiegelblock 26 liegen. In Fig.4 ist eine Vertikalprojektion der Fig.6 dargestellt.

In erster Näherung gilt: Wenn man die Länge des Hohlraumes um eine Strecke ändern will, die gleich der Wellenlänge dividiert durch die nominellen Wegstrecken ist (6 · 10 cm/ 6,8 cm oder annähernd 0,001 #), versetzt eine Verschiebung h (Fig.4) die öffnung des gekippten Spiegels 26 um eine Strecke d = h · tan JL, nach innen. Die angestrebte Bewegung in den Richtungen, die in Pig.7 durch s gezeigt sind, liegt in der Größenordnung von 1/2 Wellenlänge de3 Laserlichtes. Aus Fig.7 ist ersichtlich, daß s = 0,707 d (unter der Annahme eines quadratischen Laaerweges) und d = die Wellenlänge dividiert durch 1,414, was 6,33 · 10 ^ cm entspricht.

Der Laseratrahldurchmesser d_ß ist kleiner oder gleich 0,089 cm, während die Bohrungen 30a,b,c und d im typischen Fall einen Durchmesser d von wenigstens gleich 0,1778 cm haben. Der gesamte erlaubte Bewegungsspielraum für d, Ad

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ist 0,0880 cm, wenn h = 0,0440 cm. Daraus kann der Winkel berechnet werden al3 das Verhältnis von d zu h oder 1,017 · 10 Radian, was etwa 3,49 Bogenminuten sind.

In Mg.5 ist die Krümmung der Fläche übertrieben dargestellt und der Radius R hat nicht die richtige Proportion. Der Radius des Konkavspiegels am Block 22 ist sehr kurz gezeigt, in Wirklichkeit ist er von der Größenordnung 60 cm. Die Strahlposition auf dar gekrümmten Spiegelfläche von der Mitte aus, wo tL· =0, bi3 zu einer Auftreffstelle ist als

Ar bezeichnet. Ar = a · R = (1,017 · 10"*⁵) (60) = 0,061 cm. Der Strahlradius ist 0,0898 cm dividiert durch 2 oder 0,0449 cm. Wenn der Strahl um eine Strecke Ar= 0,061 cm verschoben wird, liegt der Rand des Strahls in einem Abstand von 0,1059 cm von der Mitte des gekrümmten Spiegels. Der gekrümmte Spiegel hat im typischen Fall eine Blendenöffnung in der Größenordnung von 0,4 cm im Durchmesser oder 0,2 cm im Radius. Folglich ist ein Rand von 0,2 - 0,11 = 0,09 cm vorgesehen. Dies setzt der erlaubten Vergrößerung des Winkels JL eine Grenze bis 0,09/60 = 1,5 · 10~⁵ Radian und das ist die erlaubte Verschiebung des Laserstrahls auf der Fläche des gekrümmten Spiegels 22. Außerdem begrenzen die Bohrungen 30a,b,c und d das Ausmaß, um das die Spiegel verschoben werden können. Wenn der Spiegel 26 gekippt ist, kippt auch die Ebene des Laserweges um einen Winkel <L und die Basis des Kathodenblocka 12 muß, wie in Fig.8 gezeigt, um den gleichen Winkel gekippt ^erden^ so äaQ die Basis parallel zur Laserebene liegt. Die Basis des Kathodenblocks 12 kann dann beispielsweise in einem Führungssystem angebracht werden, wobei man weiß, daß die Winkelmessung, die von der vom Ringlaser stammenden Information gegeben wird, ein Winkel ist und eine Winkelgeschwindigkeit, gemessen sowohl senkrecht zum Laserweg als auch zur Montagefläche.

In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Laserweg quadratisch, doch kann der Erfindungsgedanke auch auf ande-

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re rechteckige und viereckige Wege angewandt werden. Die Lehre der Erfindung iat auf solche Wege anzuwenden, indem wenigstens einer der Spiegel unter einem Pyramidenwinkel gekippt wird.

Ea leuchtet auch ein, daß ein dreiseitiger Laserweg verwendet werden kann oder alternativ ein vielseitiger Laserweg, der mehr als vier Zweige hat, wenn wenigstens einer der Spiegel einen kleinen Pyramidenwinkel hat, so daß durch eine Verschiebung des Konkavspiegels der Laserweg verkürzt oder verlängert wird, und an dem Konkavspiegel eine Lochblende vorgesehen wird.

Es ist ferner einleuchtend, daß Vorrichtung und Verfahren der Erfindung auch dazu benützt werden können, andere optische Resonatoren abzustimmen, indem einer der Resonatorspiegel gekippt wird, so daß durch die Bewegung des gekippten Spiegels in der Richtung der Kippung die Resonatorstrecke verkürzt oder verlängert wird.

Lie Erfindung soll die Abstimmung von sowohl geraden als auch nicht geraden optischen Resonatorstrecken umfassen. Sie soll auch das Abstimmen von sowohl aktiven als auch passiven Resonatoren einschließen·

Weiter soll es nicht von Bedeutung sein, ob der optische Resonator stabil oder instabil ist.

Vorstehend wurde die Erfindung im Detail anhand eines spezifischen Ausführungsbeispiels beschrieben. Der Umfang der Erfindung soll jedoch nicht durch diese Beschreibung beschränkt sein, sondern durch die Ansprüche gegeben sein.

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Claims

PATEN TANWÄLTE A GRÜNECKER OPU-ING 29 3980A ^K1NKELDEY W. STOCKMAIR Dft-INQ Arf ICALTKH K. SCHUMANN ■ DR RER NAT CNl-IWS P. H. JAKOB C)PU-ING G. BEZOLD OH REA NAT WL-CKM. 8 MÜNCHEN 22 MAXIMILIANSTRASSE *S

1. Okt. 1979 P 14 124

LITTON SYSTEMS, INC.

North Crescent Drive, Beverly Hills, California, USA

Ringlaser

Ansprüche

Ringlaser mit einem Laserblock, in dem Laserkanäle angebracht sind, die einen Ringlaserstrahl bildende Laserwege enthalten, mit einem Lasermedium in den Kanälen und Spiegeln an den Stoßstellen der Kanäle, ferner mit einer Kathode und wenigstens einer Anode, die durch Durchgänge mit den Kanälen verbunden sind, wobei auf dem Weg zwischen der Kathode und den Anoden wenigstens ein Teil der Kanäle Verstärkungsbohrungen in beiden Richtungen der Laserwege sind, dadurch gekennzeichnet, daß einer (22) der Spiegel konkav ist und die übrigen Spiegel (24, 26, 28) praktisch planar sind, und daß wenigstens einer (22, 26) der Spiegel um einen pyramidenwinkel relativ zu den anderen Spiegeln gekippt ist.

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(ο·β) 99ϋ·βα TELEX OB-aeaao telesramms monapat telekopibr««

ORIGINALJNSPECTED

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der gekippte Spiegel (26) eine Lochblende hat, um die außeraxialen Schwingungsmoden zu unterdrücken.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserwege (14a, b, c, d) praktisch in der gleichen Ebene liegen und daß der Konkavspiegel (22) um einen Pyramidenwinkal relativ zu den anderen Spiegeln gekippt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Konkavspiegel (22) abgeblendet ist, um die aufleraxialen Schwingungsmoden zu unterdrücken.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserwege vier Zweige (14a, b, c, d) umfassen, daß die Spiegel praktisch planare Spiegel (24, 26, 28) an drei Stoßstellen der Zweige der Laserwege und einen Konkavspiegel (22) an der vierten Stoßstelle der Zweige der Laserwege einschließen und daß der Konkavspiegel (22) um einen Pyramidenwinkel relativ zur Ebene der Laserwege gekippt ist, so daß eine Verschiebung des Konkavspiegels die Länge der Laserwege verändert·

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Konkavapiegel (22) mit einer Lochblende versehen ist, um die au3eraxialen Schwingungsmoden zu unterdrücken.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwei (24, 23) der Planspiegel praktisch parallel zueinander sind und der andere Planspiegel (26) abgeblandet ist, um die außeraxialen Schwingungsmoden zu unterdrücken.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserwege praktisch in einer Ebene liegen und einer der Planspiegel um einen Pyramidenwinkel relativ zu den

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anderen Spiegeln gekippt ist und der gekippte Spiegel mit einer Lochblende versehen ist, um die außeraxialen Schwingungemoden zu unterdrücken.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserwege vier Zweige (14a, b, c, d) haben, daß die Spiegel praktisch planare parallele Spiegel (24, 28) an zwei nicht benachbarten Stoßstellen der Laserwege, einen Konkavspiegel (22) an einer dritten Stoßstelle der laserwege und einen Planspiegel (26) an der vierten Stoßstelle der Laserwege umfassen und der letztgenannte Planspiegel (26) unter einem Pyramidenwinkel relativ zu den anderen Spiegeln gekippt ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserweg praktisch quadratisch ist, daß ein Kathodenblock (12) an der Unterseite des Laeerblockes (10) befestigt ist,

daß auf einer praktisch halbkugeligen Vertiefung in dem Kathodenblock an der Grenzfläche zwischen den beiden Blökken eine Kathode (16) in Form eines praktisch halbkugeligen metallischen Belages angebracht ist, daß die Anoden ein Anodenpaar (52, 54) sind, von denen jeweils eine Anode in der Nähe des einen und des anderen planaren parallelen Spiegels (24, 28) angebracht let, und daß in dem Laserblock zwischen der Kathodenvertiefung und den Anoden Kanäle (34, 36, 30) vorgesehen sind, die etwa vom Zentrum der Kathodenvertiefung ausgehen, von dort zum Bereich des gekippten Spiegels (26) verlaufen und von dort entlang zweier Verstärkungsbohrungszweige (30ä, b) des Laserweges in entgegengesetzten Richtungen zu den Bereichen der parallelen Spiegel (24, .28) und der Anoden ziehen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Basis der Kombination aus Kathoden- und Laserblook

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(10, 12) derart gekippt ist, daß die Ebene der Laserwege praktisch parallel zu dieser Basis liegt.

12. Optischer Resonator mit wenigstens zwei Spiegeln, von denen wenigstens einer konkav ist, gekennzeichnet durch eine Halterung zum Halten wenigstens eines der Spiegel in einer zu den anderen Spiegeln gekippten Lage.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, da8 an der Halterung für jeden gekippten Spiegel eine Fläche zur Bewegungsführung des gekippten Spiegels in der Richtung seiner Kippung vorgesehen ist.

14. Verfahren zum Einstellen der Laserwegstrecken eines Ringlasers, der wenigstens einen Laserblock mit darin befindlichen Laserkanälen zur Aufnahme der Laserwege hat, die einen Ringlaserstrahl formen, ferner ein Lasermedium in den Kanälen, Spiegel an den Verbindungsstellen der Kanäle, eine Kathode und wenigstens eine Anode, die mit den Kanälen durch Durchlässe verbunden sind, wobei der Weg zwischen den Kathoden und wenigstens einer Anode mindestens Veretärkungsbohrungsabschnitte der Kanäle in entgegengesetzten Richtungen der Laserwege umfaßt, und wobei wenigstens einer der Spiegel konkav und mit einer Lochblende versehen ist und die übrigen Spiegel praktisch planar sind und wenigstens einer der Konkavspiegel um einen Pyramidenwinkel relativ zu den anderan Spiegeln gekippt ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der Konkavspiegel in Richtung des Pyramidenwinkels relativ zum Laserstrahl verschoben wird und die Position des Konkavspiegels festgelegt wird.

15. Verfahren zum Einstellen der Laserwegstrecken eines Ringlasers, der mindestens einen Laserblock mit vier La3erkanälen darin zur Aufnahme von Laserwegen hat, die einen Ringlaserstrahl bilden, ferner ein Lasermedium in den Ka-

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nälen, Spiegel an den Verbindungsstellen der Kanäle, eine Kathode und wenigstens eine Anode, die über Durchlässe mit den Kanälen verbunden sind, wobei der Weg zwischen der Kathode und wenigsteaa einer Anode mindestens Verstärkungsbohrungsabschnitte der Kanäle in entgegengesetzten Richtungen der Laaerwege umfaßt und wobei wenigstens einer der Spiegel konkav und die übrigen Spiegel praktisch planar sind und der zuai Konkavspiegel nicht benachbarte Planarspiegel um einen Pyramidenwinkel relativ zu den anderen Spiegeln gekippt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Konkavspiegel verschoben wird, um den Laserstrahl abzustimmen, daß der gekippte Spiegel in Richtung des Pyramidenwinkels verschoben wird, um die Blendenöffnung zu fluchten und dadurch die außeraxialen Sohwingungsmoden zu unterdrücken, und daß die Positionen des Konkavspiegels und des gekippten Spiegels festgelegt werden.

16. Verfahren zum Einstellen der Länge eines optischen Resonators, der wenigstens zwei Spiegel hat, von denen wenigstens einer konkav ist, sowie eine Halterung zum Halten wenigstens eines der Konkavspiegel unter einer Kippung um einen Pyramidenwinkel zu den anderen Spiegeln, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens der gekippte Konkavspiegel in der Richtung des Pyramidenwinkels relativ zum Laserstrahl verschoben wird und die Position des gekippten Konkavspiegels festgelegt wird.

17. Verfahren zum Einstellen der Länge eines optischen Resonators, der wenigstens zwei Spiegel hat, von denen wenigstens einer ein Konkavspiegel und die übrigen Spiegel Planspiegel ;iind, sowie eine Halterung zum Halten wenigstens eines Ier Planspiegel in einer um einen Pyramiden— winkel gekippten Lage zu den anderen Spiegeln, wobei der gekippte Spiegel abgeblendet X3t, um die außeraxialen Schwingungamoden zu unterdrücken, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abstimmen des optischen Resonators wenigstens

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einer der Konkavspiegel verschoben wird, daß der gekippte Spiegel in der Richtung des Pyramiden- winkels verschoben wird, um seine Blendenöffnung zu fluch' ten, βο daß die außeraxialen Schwingungsmoden unterdrückt werd en, und

daß die Position der verschobenen Spiegel festgelegt

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