DE3115804A1 - "ringinterferometer" - Google Patents

Description

• Beschreibung
• Ringinterferometer Die Erfindung betrifft ein Ringinterferometer zur Messung absoluter Drehungen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
• Bei einem derartigen Ringinterferometer wird in die beiden Enden eines Lichtweges,vorzugsweise eine auf einer Spule aufgewickelte einwellige Lichtleitfaser, Licht einer Lichtquelle eingekoppelt und der Phasenunterschied Zlfischen den beiden, den Lichtweg gegenläufig durchlaufenden, optischen Wellen mittels Interferenz in einem Strahlteiler gemessen, woraus die gesuchte Drehung bestimmbar ist.
• Ein derartiger Rotationssensor soll insbesondere gegen mechanische Erschütterungen möglichst unempfindlich sein, weshalb der Rotationssensor möglichst-faseroptisch unter weitgehender Vermeidung von störenden Luftstrecken aufgebaut sein soll. Ein faseroptischer Aufbau eines Ringinterferometers zur Messung von Drehungen ist bekannt aus der Schrift: All-single-mode fiber-optic gyroscope; R.A.
• Berg, B,C. Lefevre,and H.J. Shaw; Optic Letters 6,(1981), Seiten 198-200.
• Die dort beschriebene Anordnung weist den Nachteil einer großen Drift der Meßergebnisse auf, so daß es beispielsweise schwierig ist, zwei zeitlich auseinander liegende Meßergebnisse zu vergleichen. Weiterhin werden bei dieser Anordnung optische Polarisationsstellglieder benötigt, die während des Betriebs manuell nachgestellt werden müssen.
• In den nicht vorveröffentlichten Patentanmeldungen P 30 49 033.6 und P 30 o6 580.6 sind beispielsweise Anordnungen beschrieben, bei denen auf derartige Polarisationsstellglieder verzichtet werden kann.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine derartige Anordnung dahingehend zu verbessern, daß eine möglichst hohe Empfindlichkeit gegenüber zu messenden Drehungen erreichbar ist bei gleichzeitiger Unempfindli-chkeit gegenüber äußeren Störgrößen, daß ein Verzicht auf optische Polarisationsstellglieder keine Erhöhung der zeitlichen Drift der Meßergebnisse bewirkt und daß ein derartiger Rotationssensor weitest gehend faseroptisch aufbaubar ist.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.
• Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß ein derartiger Rotationssensor räumlich derart klein und mechanisch kompakt herstellbar ist, daß eine hohe Zuverlässigkeit bei geringer Wartung und Kontrolle erreicht wird.
• Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbei spielen unter Bezugnahme auf eine schematische Zeichnung näher erläutert. Gemäß der FIGUR gelangt Licht einer Lichtquelle Q , z.ß. ein Halbleiterlaser'oder eine sogenannte superstrahlende Diode, über eine zweite.strahlenauSteilende Anordnung T2 sowie einen Polarisator Pol und über eine erste strahl enaufteil ende Anordnung T1 beidseitig in einen Lichtweg L, vorzugsweise eine spulenförmig aufgewickelte einwellige Lichtleitfaser. Das zurückkommende Licht wird schließlich vom Photodetektor D detektiert.
• Das erfindungsgemäße Ringinterferometer zeichnet sich dadurch aus, daß die strahlenaufteilenden Anordnungen T1, T2 faseroptisch herstellbar sind, vorzugsweise mittels optisch einwelliger Fasern.
• Weiterhin befindet sich zwischen den strahlenaufteilenden Anordnungen Tl, T2 ein optischer Polarisator Pol, der in Zusammenhang mit einer einwelligen optischen Verbindungsleitungsbeispielsweise den einwelligen Faserenden der faseroptisch ausgeführten strahlenaufteilenden Anordnungen T1 oder T2, als einlselligesFilter wirkt und so eine strikte Reziprozität des transmittierten Lichtes und damit eine geringe zeitliche Drift des Meßsignales sicherstellt.
• Weiterhin ist im Lichtweg L, der vorzugsweise optisch einwellig ist, ein erster Depolarisator Dpi vorgesehen, wobei dieser erste Depolarisator für einen konstanten Skalenfaktor der Meßanordnung sorgt, ohne eine Polarisationsregel einrichtung zu benutzen.
• In einer Weiterbildung der Erfindung wird zwischen die Lichtquelle Q und die zweite strahl enaufteil ende Anordnung T2 ein zweiter Depolarisator Dp2 eingefügt, Dieser zweite Depolarisator ist dann notwendig, wenn die Lichtquelle Q polarisiertes Licht emittiert. Ohne den zweiten Depolarisator Dp2 würden schwankende Polarisationsdrehungen in der optischen Faser das von der Lichtquelle Q emittierte Licht derart beeinflussen, daß das Licht nach Durchlaufen des Polarisators Pol eine schwankende Leistung besitzt.
• In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird in den Lichtweg L ein Phasenmodulator Ph zur Modulation der optischen Phase des Lichtes eingefügt, wobei der Phasenmodulator Ph mit einem periodischen, vorzugsweise sinusförmigen Signal der Grundfrequenz f angesteuert wird und das Signal am 0 Photodetektor D bei der Grundfrequenz f und/oder bei hö-0 heren Harmonischen der Grundfrequenz fo ausgewertet wird.
• Es ist vorteilhaft, die Grundfrequenz f derart zu wählen, 0 daß im wesentlichen fo = 1/(21 U2\) gilt, wobei bzw, t 2 die Laufzeiten des Lichtes vom Tor 1 bzw. Tor 2 der ersten strdienaufteilenden Anordnung T1 zum Phasenmodulator bezeichnen. Eine derartige Wahl der Grundfrequenz f bewirkt, daß eine hohe Empfindlichkeit für zu messende 0 Drehungen erreicht wird und daß Fehler des Phasenmodulators Ph, z.B, nichtlineare Verzerrungen oder eine überlagerte Intensitätsmodulation, weitgehend unterdrückt werden.
• In einer weiteren Ausbildung der Erfindung befindet sich zwischen dem Polarisator Pol und der ersten strahlenaufteilenden Anordnung T1 ein dritter Depolarisator Dp3, der dafür sorgt, daß inden Lichtweg L lediglich depolarisiertes Licht eingekoppelt wird. Die Einkopplung depolarisierten Lichts hat den,-Vorteil, daß eine störende Magnetfeldempfindlichkeit des Ringinterferometers weitgehend vermindert wird.
• Entsprechend einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Magnetfeldempfindlichkeit auch dadurch vermindert, daß im Lichtweg L doppelbrechende optische Fasern, vorzugsweise linear doppelbrechende optische Fasern1 verwendet werden. Da eine Wechselwirkung zwischen einem Magnetfeld und einer optischen Welle aufgrund des sogenannten Faraday-Effekts insbesondere für zirkular polarisierte optische Wellen sehr ausgeprägt ist, bringt die Verwendung einer linear doppelbrechenden optischen Faser Vorteile, da dann zirkulare optische Polarisationszustände lediglich in einem kurzen Bereich der optischen Faser existieren können. In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird die Magnetfeldempfindlichkeit durch eine magnetische Abschirmung des Lichtweges L reduziert.
• Die Magnetfeldempfindlichkeit aufgrund des Faraday-Effekts ist proportional zur sogenannten Verdet-Konstante (siehe z.B. Handbook of Optics, W,D. Driscoll, Ed Mc Graw Hill 1978). Die Verdet-Konstante ist näherungsweise proportional zur Dispersion dn/dX des Lichtes im Lichtweg L (n = Brechungsindex des Lichtweges L, X = Wellenlänge des verwendeten Lichtes). Dieser Dispersionsterm ist beispielsweise ihm langwelligen Spektralbereich (ko 1,1 bis 1,7 /um) sehr viel geringer als im Wellenlängenbereich zwischen o,8 und O,9/um, so daß im langwelligen Spaktralbereich eine geringere störende Magnetfeldempfindlichkeit vorhanden ist als im kurzwelligen Spektralbereich.
• Die Depolarisatoren Dpl, Dp2, Dp3 werden vorteilhafterweise durch mindestens einen doppelbrechenden Teillichtweg oder dul-ch eine optische Hintereinanderschaltung verschiedener doppelbrechender Teillichtwege verwirklicht, wobei bei den jeweiligen Teillichtwegen die beiden Eigenwellen des transmittierten Lichtes Laufzeitunterschiede besitzen, die jeweils gleich oder größer sind als die Kohärenzzeit des von der Lichtquell'e Q ausgesandten Lichts.
• Derartige Depolarisatoren sind insbesondere durch eine optische Hintereinanderschaltung zweier linear doppelbrechender Teillichtwege herstellbar, deren optische Hauptachsen an der Übergangsstelle im wesentlichen um 450 gegeneinander verdreht sind. Diese Depolarisatoren sind vorteilhafterweise faseroptisch herstellbar, wenn für die doppelbrechenden Teillichtwege doppelbrechende optische Fasern verwendet werden, die an der Ubergangsstelle gegeneinander verdreht sind, Eine nähere Untersuchung zeigt, daß derartige Depolarisatoren keine volista"ndige statistische Verteilung der Polarisationszuständc des Lichts bewirken, so daß unter l)ulst:anden ein in der Ausbreitungsrichtung des Lichtes folgende Depolarisator die Wirkung eines ersten Depolarisators wiedie der aufheben könnte. Deshalb sind/in der Erfindung benutzten Depolarisatoren Dpl, Dp2, Dp3 derart zu wählen, daß nicht nur ein einzelner depolarisierend wirkt, sondern auch jede Kombination (optische Hintereinanderschaltung) mehrerer Depolarisatoren. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Laufzeitunterschiede zwischen den beiden Eigenwellen des Lichtes in den jeweiligen optisch doppelbrechenden Teillichtwegen in den Depolarisatoren Dpl, Dp2, Dp3 derart gewählt sind, daß der kleinste Absolutbetrag der Differenz zwischen zwei beliebigen Laufzeitunterschieden gleich oder größer ist als die Kohärenzzeit des von der Lichtqeulle Q ausgesandten Lichts. So besteht beispielsweise der erste Depolarisator Dpt aus zwei Kalkspatplättchen von 2 mm bzw. 4mm Länge, der zweite Depolarisator Dp2 aus zwei Kalkspatplättchen von 6mm bzw, 8mm Länge und der dritte Depolarisator Dp3 aus zwei Kalkspatplåttchen von lOmm bzw. 12mm Länge. Diese Depolarisatoren und auch deren Kombination (optische Hintereinanderschaltung) führen zur Depolarisation von Licht, das eine minimale Spektralbreite von ungefähr 2nm besitzt.
• Daher ist es vorteilhaft im erfindungsgemäßen Ringinterferometer als Lichtquelle Q eine spektral breite Lichtquelle einzusetzen, zum Beispiel einen spektral vielwelligen Halbleiterlaser oder eine sogenannte superstrahlende Diode.
• Mit den erfindungsgemäßen Merkmalen ist es möglich, ein zuverlässiges vollständig faseroptisch aufgebautes Ringinterferonieter zur Messung von Drehungen zu benutzen, wobei auch der Polarisator Pol als faseroptisches Bauelement ausgeführt ist.
• Die detektierte Drehrate hängt von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes ab, wobei eine.Kombination von Depolarisatoren und dem Polarisator wellenlängenfilternd wirkt. Es ist deshalb zweckmäßig, die Wellenlänge unmittelbar am Lichtweg L, z.B. an einem freien Tor 3 der ersten strahlenaufteilenden Anordnung T1, zu messen oder an einer optischen Verbindung zwischen der zweiten strahlenaufteilenden Anordnung T2 und dem Detektor D mittels eines weiteren optischen Strahlteilers. Eine derartige Messung der Wellenlänge des verwendeten Lichtes ist möglich, z.B. mittels eines Spektralphotometers, das in einer faseroptischen Ausführung herstellbar ist.
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Claims (18)

1. Patentansprüche 1.Ringinterferomotor zur Messung absoluter Drehungen mit einer Lichtquelle (Q), einem faseroptischen, insbesondere aus einer einwelligen optischen Faser bestehendem Lichtweg (L), der eine Fläche(F) ein- oder mehrfach umschließt und der an beiden Enden in eine erste strahlenaufteilende Anordnung (T1) mündet, sowie mit einem Photodetektor (D), wobei das von der Lichtquelle (Q) emittierte Licht über eine zweite strahlenaufteilende Anotdnung-(T2) sowie die erste strahlenaufteilende Anordnung (T1) in beiden Enden des Lichtweges (L) eingekoppelt wird, diesen i.n beiden Richtungen durchläuft, danach durch die erste strahlenaufteilende Anordnung (T1) wieder vereinigt und dadurch zur Interferenz gebracht wird und ansciließend er die zweite strahlenaufteilende Anordnung (T2) dem Photodetektor (D) zugeführt und dort detektiert wird, dadurch gckennzeichnet, daß sich zwischen der ersten strahlenaufteilenden Anordnung (Ti) und der zweiten strahlenaufteilenden Anordnung (T2) mindestens ein optischer Polarisator (Pol) befindet, der sowohl von dem von der Lichtquelle (Q) ausgesandten Licht als auch von dem von dem Photodetektor (D) empfangenen durchlaufen wird, daß mindestens eine der strahlenaufteilenden Anordnungen (Ti, T2} als ein faseroptisches Bauelement aufgebaut ist und daß der Lichtweg (L) mindestens einen ersten optischen Depolarisator (Dpi) enthält.
2. 2. Ringinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Lichtquelle (q) und der zweiten strahlenaufteilenden Anordnung (T2) mindestens ein zweiter optischer Depolarisator (Dp2) befindet, der lediglich von dem von der Lichtquelle (Q) ausgesandten Licht durchlaufen wird.
3. 3. Ringinterferometer nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Lichtweg (L) mindestens ein Phasenmodulator (Ph) zur Modulation der optischen Phase vorhanden ist, der mit mindestens einem im wesentlichen periodischen Signal mit der Grundfrequenz fo angesteuert 0 wird, und daß ein am Photodetektor (D) detektiertes Signal bei der Grundfrequenz f und/ader mindestens einer dazuge-0 hörigen Oberwelle ausgewertet wird.
4. 4. Ringinterferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasenmodulator (Ph) vorhanden ist, der mit einem im wesentlichen sinusförmigen Signal mit der Grundfrequenz f angesteuert wird.

   0
5. 5. Ringinterferometer nach Anspruch 3 oder Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundfrequenz f im wesent-0 lichen zu f0 = 1/(21 - #2| ) gewählt ist, wobei| b den absoluten Betrag der Differenz der Laufzeiten t 1 bzw.

   2 2 bedeutet,die das Licht im Lichtweg(L)von Tor 1 bzw.

   Tor 2 der ersten strahlenaufteilenden Anordnung (T1) zum Phasenmodulator (Ph) benötigt,
6. 6. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen einem Polarisator (Pol) und der ersten strahlenaufteilenden Anordnung (T1) mindestens ein dritter optischer Depolarisator (Dp3) vorgesehen ist.
7. 7. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtweg (L) mindestens eine optisch doppelbrechende, im wesentlichen optisch einwellige Faser enthält,
8. 8. Pinginterferometer nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dan die laser im wosontl.icllell olLiscll linear doppelbrechend ist.
9. 9. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Lichtweg (L) im wesentlichen abgeschirmt ist gegen von außen einwirkende Magnetfelder.
10. 10. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das verwendete Licht im wesentlichen eine derartige Wellenlänge besitzt, daß die sogenannte Verdet-Konstante einen minimalen Wert annimmt.
11. 11. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der ersten, zweiten oder dritten optischen Depolarisatoren (Dpi, Dp2, Dp3) aus mindestens einem optisch doppelbrechen- den Teillichtweg und/oder aus mindestens einer optischen liintereinanderschaltung derartiger Teillichtwege besteht, wobei in mindestens einem derartigen Teillichtweg die beiden Eigenwellen des verwendeten Lichtes einen Laufzeitunterschied besitzen, der gleich oder größer ist als die Kohärenzzeit des verwendeten Lichts.
12. 12. Ringinterferometer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in mindestens einem der Depolarisatoren (Dpi, Dp2, Dp3) mindestens eine optische Hintereinanderschaltung zweier im wesentlichen linear doppelbrechender Teillichtwege vorhanden ist, daß an einer Übergangsstelle derartiger Teillichtwege deren optische IIauptachsen im wesentlichen um 450 gegeneinander verdreht sind und daß jeweils in einem derartigen Teillichtweg vorhandene Laufzeitunterschiede der optischen Eigenwellen sowie der absolute Betrag der Differenz derartiger Laufzeiten zweier angrenzender Teillichtwege gleich oder größer ist als die Kohärenzzeit des verwendeten Lichtes.
13. 13. Ringinterferometer nach Anspruch 11 oder Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein optisch doppelbrechender Teillichtweg als optisch doppelbrechende Faser ausgeführt ist.
14. 14. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß jede beliebige optische Hintereinanderschaltung von mindestens zwei ersten, zweiten und/oder dritten Dcpolarisatoren (Dpl, Dp2, Dp3) im wesentlichen ein Depolarisator ist für das verwendete Licht.
15. 15. Ringinterferometer nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß in den doppelbrechenden Teillichtwegen der Depolarisatoren (Dpl, Dp2, Dp3) die Laufzeitdifferenzen zwischen den Eigenwellen des verwendeten Lichtes derart gewählt sind, daß der kleinste Absolutbetrag der Differenz zwischen den Laufzeitdiifeenzen zweier beliebiger verschiedener Teillichtwege der Depolarisatoren (Dpi, Dp2, Dp3) gleich oder größer ist als die Kohärenzzeit des verwendeten Lichts.
16. 16. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein faseroptisch ausgeführter Polarisator (Pol) vorhanden ist,
17. 17. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (Q) als Halbleiterlaser oder als superstrahlende Diode ausgeführt ist.
18. 18. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Wellenlängenmessung des verwendeten Lichts mindestens ein Wellenlängenmesser (WM) vorhanden ist, der insbesondere optisch entweder an ein Tor (3) der ersten strahlenaufteilenden Anordnung (Ti) angekoppelt ist oder mittels einer weiteren strahlenaufteilenden Anordnung an eine optische Verbindung zwischen der zweiten strahlenaufteilenden Anordnung (T2) und dem Photodetektor (D).