DE3141175A1 - RINGLASER TURN SPEED METER - Google Patents
RINGLASER TURN SPEED METERInfo
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DORNER a HUFNAGEL
PATENTANWALTSDORNER a HUFNAGEL
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TEL. 0 83/ΒΘΘ7Β«TEL. 0 83 / ΒΘΘ7Β «
München, den 15. Oktober I981 /J Anwaltsaktenz.: 27 - Pat» 299Munich, October 15, 1981 / J Lawyer files .: 27 - Pat »299
Raytheon Company, 1Λ1 Spring Street, Lexington, Mass. 02173»
Vereinigte Staaten von AmerikaRaytheon Company, 11 Spring Street, Lexington, Mass. 02173 »
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Rinplaser-Drehgeschwindi gkeitsmesserRinplaser rotary speed meter
Die Erfindung bezieht sich auf Hi jigl aser-Dr ehgescbwj nd igkei tsmesser oder Laserkreisel.The invention relates to Hi-jigl aser rotary knives or laser gyro.
Bei praktisch verwertbaren Laserkreiseln müssen die Schwierigkeiten
beseitigt werden, welche bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten durch das Zusammenwandern der Frequenzen oder durch den
sogenannten Lock-in-Effekt entstehen. Das Zusammenwaridern oder
Einrasten der Frequenzen wird durch eine unvermeidbare Streuung bestimmter Lichtanteile von einem Resonanzmodus in den anderen
Resonanzmodus aufgrund von Unvollkommenheiten der optischen Elemente einschließlich des Resonanzraumes verursacht» Wenn die
Frequenzen der Resonanzmoden nicht zu unterschiedlich sind, so
haben die Resonanzmoden das Bestreben, phasenmäßig aufeinander einzurasten. Dies muß für praktisch verwertbare Laserkreisel
vermieden werden. In einem mit zwei Frequenzen arbeitenden Laserkreiselsystem
kann der Lock-in-Effekt dadurch vermieden werden,
daß der Laserkreisel frequenzmäßig vorgespannt wird, so daß er bei der Drehgeschwindigkeit Null am Ausgang eine hohe Frequenz
liefert. Schwierigkeiten bezüglich der Genauigkeit der Frequenz-In the case of practically usable laser gyroscopes, the difficulties that arise at low rotational speeds due to the convergence of frequencies or the so-called lock-in effect must be eliminated. The interplay or locking of the frequencies is caused by the unavoidable scattering of certain light components from one resonance mode to the other resonance mode due to imperfections in the optical elements including the resonance chamber
If the frequencies of the resonance modes are not too different, the resonance modes endeavor to lock onto one another in terms of phase. This is a must for practically usable laser gyroscopes
be avoided. In a laser gyro system operating at two frequencies, the lock-in effect can be avoided in that the frequency of the laser gyro is biased so that it delivers a high frequency at the output when the rotational speed is zero. Difficulties in the accuracy of the frequency
Vorspannung können dadurch vermieden werden, daß die Vorspannung j eine Schwankungsmodulation erhält, so daß Instabilitäten der Vorspannung durch Zeitmittelwertbildung aus dem Ausgangssignal eliminiert werden können. Diese Schwankun'gsmodulation bewirkt je- !doch, daß der Laserkreisel je Schwankungszyklus zweimal einen : Lock-in-Effekt erleidet. Dadurch verliert der Laserkreisel teil- ■ '< weise seine Phasenkohärenz und es tritt je Schwankungszyklus der ' Frequenzvorspannung ein Fehler entsprechend dem Bruchteil einer ! Zählung auf. Diese Fehler addieren sich statistisch und führen zu einem kumulativen Ausgangs-Fehlerwinkel, welcher sich mit der .Zeit vergrößert. Bias voltage can be avoided by giving the bias voltage j a fluctuation modulation, so that instabilities in the bias voltage can be eliminated from the output signal by averaging over time. This fluctuation modulation, however, has the effect that the laser gyro suffers a lock-in effect twice per fluctuation cycle. Thus, the laser gyro partially ■ '' as its phase coherence and it occurs each fluctuation cycle of 'loses Frequenzvorspannung an error corresponding to the fraction of a! Count on. These errors add up statistically and lead to a cumulative output error angle which increases over time.
Bei einem mit vier Frequenzen arbeitenden Differential-Laserkreiselsystem werden diese Schwierigkeiten im wesentlichen dadurch vermieden, daß in einem einzigen stabilen Resonator zwei unabhängige Laserkreisel betrieben worden, welche sich in einen gemeinsamen optischen Wellenausbreitungsweg teilen, jedoch statisch jeweils durch dieselben passiven Vorspannungselemente in entgegengesetzter Richtung vorgespannt sind. In dem Differentialausgang der beiden Laserkreisel heben sich die Frequenzvorspannungen heraus, während auf Drehungen beruhende Signale sich addieren, wodurch eine Empfindlichkeit erhalten wird, welche das Doppelte derjenigen eines einzigen, mit zwei Frequenzen arbeitenden Laserkreisels ist, wobei gleichzeitig die Schwierigkeiten aufgrund eines Drifts der Frequenzvorspannung vermieden werden. Die vier unterschiedlichen Frequenzen werden normalerweise dadurch erzeugt, daß zwei verschiedene optische Effekte ausgenützt werden. Zum einen wird ein Kristal1-Polari sationsrotator verwendet, um eine von der Ausbreitungsrichtung unabhängige Polarisation vorzusehen, durch welche die in Resonanz befindlichen Wellen nahezu rechtssinnig zirkularpolarisiert bzw. linkssinnig zirkularpolarisiert werden. Die Polarisationsdrehung resultiert daraus, daß der Brechungsindex des Rotatormediums für rechtssinnig zirkularpolarisierte Wellen und für linkssinnig zirkularpolarisierte Wellen geringfügig unterschiedlich ist. Weiter wird einWith a differential laser gyro system operating at four frequencies These difficulties are essentially avoided by the fact that two in a single stable resonator independent laser gyroscopes have been operated, which turn into a share common optical wave propagation path, but static each by the same passive biasing elements in opposite direction are biased. In the differential output The frequency biases of the two laser gyroscopes are lifted while rotation-based signals add up, giving a sensitivity that the Twice that of a single, two-frequency laser gyro, while at the same time eliminating the difficulties due to frequency bias drift can be avoided. The four different frequencies are usually this produced that two different optical effects are used. On the one hand, a Kristal1 polarization rotator is used, to provide a polarization independent of the direction of propagation, through which the waves in resonance almost right-handed circularly polarized or left-handed circularly polarized will. The polarization rotation results from the fact that the refractive index of the rotator medium is right-handed circularly polarized waves and for left-handed circularly polarized waves Waves is slightly different. Next will be a
Faradayrotator eingesetzt, um eine nichtreziproke Polarisationsdrehung zu erreichen, indem ein leicht unterschiedlicher Brechungsindex für im Uhrzeigersinn umlaufende Wellen gegenüber im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen wirksam wird. Dies führt dazu, daß die im Uhrzeigersinn umlaufenden und die im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden, rechtssinnig zirkularpolarisierten Wellen mit leicht unterschiedlichen Frequenzen schwingen, während ! die im Uhrzeigersinn umlaufenden und die im Gegenuhrzeigersinn j umlaufenden linkssinnig zirkularpolarisierten Wellen im ähnli-Faraday rotator used to make a non-reciprocal polarization rotation to achieve by a slightly different index of refraction for clockwise rotating waves compared to im Anti-clockwise rotating waves takes effect. This means that the clockwise revolving and the counterclockwise rotating, right-handed circularly polarized waves oscillate with slightly different frequencies, while! the clockwise circulating and the counterclockwise j circulating left-hand circularly polarized waves in a similar
eher Weise, jedoch entgegengesetzt frequenzmäßig aufgespalten ; werden. Der Faradayrotator kann ein gesondertes optisches Element sein, das aus einem Stück eines optisch isotropen Werkstoffs besteht, auf den in Längsrichtung ein magnetisches Feld . einwirkt oder man verwirklicht den Faradayrotator in der Weise, daß ein solches magnetisches Feld auf den Krista]]rotator einwirkt» Es ergibt sich somit ein Laserkreisel, welcher mit rechtszirkularer Polarisation und Vorspannung mit Bezug auf die eine Drehrichtung arbeitet und ein zweiter Laserkreise], welcher mit linkszirkularer Polarisation und Vorspannung mit Bezug auf die entgegengesetzte Richtung arbeitet. Die frequenzmäßigen Vorspannungen löschen sich durch Subtraktion der beiden Ausgangssignale voneinander. Die Wirkungskreise eines mit vier Frequenzen arbeitenden Laserkreisels ist in ihren Grundzügen etwa der US-Patentschrift 3 7^1 657 oder der deutschen Patentschrift 22 09 397 zu entnehmen.rather wise, but split in frequency in opposite directions; will. The Faraday rotator can be a separate optical element made from a piece of an optically isotropic material consists of a magnetic field in the longitudinal direction . acts or one realizes the Faraday rotator in such a way that such a magnetic field acts on the Krista]] rotator » The result is a laser gyro with a right-hand circular Polarization and bias with reference to one direction of rotation and a second laser circles], which works with left circular polarization and bias with respect to the opposite direction works. The frequency-related biases cancel each other out by subtracting the two output signals from each other. The spheres of activity of a working with four frequencies The basic features of the laser gyro are roughly the same as in the US patent 3 7 ^ 1 657 or German patent specification 22 09 397 refer to.
Es ergeben sich gewisse Beschränkungen des Gebrauches von mit vier Frequenzen arbeitenden Laserkreiseln bezüglich der Stabilität«, Im Idealfall müßten alle resultierenden Schwankungen im Differentialausgang bei einem mit vier Frequenzen arbeitenden Laserkreisel ausgelöscht werden, da sämtliche vier Frequenzen von äußeren Einflußquellen in gleicher Weise beeinflußt werden müßten, etwa durch die thermischeAusdehnung» Praktisch aber hat sich gezeigt, daß die vier Frequenzen durch äußere Einflußquellen nicht in gleicher Weise beeinflußt werden, so daß sich unter- There are certain restrictions on the use of laser gyroscopes operating at four frequencies with regard to stability «, Ideally, all of the resulting fluctuations in the differential output should be with one operating at four frequencies Laser gyroscopes are extinguished because all four frequencies are influenced by external sources of influence in the same way would have to, for example due to the thermal expansion »In practice, however, it has been shown that the four frequencies are not influenced in the same way by external sources of influence, so that
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schiedliche Veränderungen der Frequenzen einstellen. Obwohl daher mit vier Frequenzen arbeitende Laserkreisel bei thermisch ausgewogenen Bedingungen eine hervorragende Präzision zeigen, haben Geräte dieser Art praktisch nur in beschränktem Maße Anwendung gefunden, da sich aufgrund thermischer Empfindlichkeit über längere Zeitdauer hinweg unzuträgliche Verschiebungen der ' Frequenzvorspannung einstellten. set different changes in frequencies. Although laser gyroscopes operating at four frequencies therefore show excellent precision under thermally balanced conditions, devices of this type have only found limited use in practice, since, due to their thermal sensitivity , undesirable shifts in the frequency bias occurred over a long period of time.
Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit den Merkmalen nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 der anliegenden Patentansprüche so auszugestalten, daß Schwankungen aufgrund äußerer Einflüsse vermieden werden, wobei insbesondere Langzeitverschiebungen der Frequenzvorspannung aufgrund äußerer Einflußquellen ausgeschaltet werden sollen.The object of the invention is to be achieved, a ring laser rotary speed meter to be designed with the features according to the preamble of claim 1 of the attached claims, that fluctuations due to external influences are avoided, in particular long-term shifts in the frequency bias switched off due to external sources of influence should be.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des anliegenden Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst»This object is achieved according to the invention by the features mentioned in the characterizing part of the attached claim 1 »
Im einzelnen kann hier ein Lasorkreisel angegeben werden, bei dem die Ursachen für Drifteffßkte weitgehend beseitigt werden, wodurch gegenüber anderen, bekannten Laserkreiseln die Gesamtverschiebung im Ausgangssignal des Drehgeschwindigkeitsmessers um mehrere Größenordnungen vermindert wird. Eine der Hauptquellen für ein Driften ist die Frequenzmitnahme aufgrund einer Wechselwirkung zwischen zwei Resonanzzuständen wegen einer Kopplung durch die Existanz bestimmter Streuquellen, die im allgemeinen uingebungsabhängig sind. Eine andere wesentliche Quelle für ein Driften sind durch Streuung eingeführte Verschiebungen, welche auf einer Relativbewegung von Streuquellen innerhalb des Wellenausbreitungsraumes beruhen. Schließlich existiert noch eine durch Dispersion eingeführte Drifterscheinung, welche auf Änderungen des Laser-Verstärkermediums mit der Zeit beruhen, wodurch sich differentielle Änderungen in der Dispersion oder der Phasenverschiebung ergeben, welcher sich die jeweilige ResonanzfrequenzA laser gyro can be specified here in which the causes of drift effects are largely eliminated, thereby reducing the overall displacement compared to other, known laser gyroscopes is reduced by several orders of magnitude in the output signal of the rotational speed meter. One of the main sources for drifting is the frequency entrainment due to an interaction between two resonance states due to a coupling by the existence of certain sources of scatter, which in general are environment dependent. Another essential source for one Drifts are displacements introduced by scattering which are based on a relative movement of scattering sources within the wave propagation space are based. Finally, there is also a drift phenomenon introduced by dispersion, which reacts to changes of the laser gain medium over time, causing differential changes in dispersion or phase shift result, which is the respective resonance frequency
ausgesetzt sieht. Wiederum eine andere Quelle von Drifterscheinungen kann als Fresnel-Fizeau-Effekt bezeichnet werden und beruht auf der Abhängigkeit des Brechungsindex im Gasentladungsraum von der Geschwindigkeitsverteilung der Gasentladung, auf welche die Laser-Schwingungszustände jeweils treffen, da die Geschwindigkeitsverteilung sich bei der Ausbreitung der Schwingungszustände in Abhängigkeit von Fluktuationen im Ringraum ändern kann.looks exposed. Yet another source of drift can be referred to and is based on the Fresnel-Fizeau effect on the dependence of the refractive index in the gas discharge space on the velocity distribution of the gas discharge which the laser oscillation states hit, as the speed distribution change with the propagation of the oscillation states depending on fluctuations in the annulus can.
;Die genannten Quellen von Drifterscheinungen treten in sämtlichen Laserkreiseln auf und werden im allgemeinen durch Änderungen der optischen Weglänge für die einzelnen Schwingungen aufgrund von umgebungsbedingten Änderungen eingeführt, die in dem Wellenausbreitungsraum oder in den optischen Elementen innerhalb dieses Raumes auftreten.; The sources of drift phenomena occur in all said laser gyros and the optical path length for the individual vibrations due to be introduced from environment-induced changes occurring in the wave propagation space or in the optical elements within this space generally by changes.
Der Laserkreisel der hier vorgeschlagenen Bauart bewirkt eine wesentliche Verminderung der Drifterscheinungen durch weitgehende Beseitigung körperlicher Bewegungen im WellenausbreitungsraumThe laser gyro of the type proposed here causes a substantial reduction in the drift phenomena through extensive Elimination of physical movements in the wave propagation space
i
aufgrund der Verwendung von Werkstoffen mit extrem niedrigem
Ausdehnungskoeffizienten, ferner durch Mini mal hai ten von Änderungen
der effektiven optischen Weglänge, indem die Zahl von innerhalb des Wellenausbreitungsraumes befindlichen Elementen verringert
und ihre Art begrenzt wird, ferner durch Verminderung der Streuung sämtlicher Elemente und schließlich durch Vervrendung
von rein zirkularpolarisierten Schwingungszustanden in dem
Resonanzhohlraum«.i
due to the use of materials with extremely low expansion coefficients, further by minimizing changes in the effective optical path length by reducing the number of elements located within the wave propagation space and limiting their type, further by reducing the scattering of all elements and finally by using them of purely circularly polarized oscillation states in the resonance cavity «.
Anstelle des traditionellen Kristallrotators wird zur Frequenzaufspaltung zwischen den links zirkularpolarisierten Wellen und den rechts zirkularpolarisierten Wellen ein nicht in einer Ebene liegender Wellenausbreitungsweg vorgesehen. Eine dünne paramagnetische Faradey-Glasplatte wird anstelle des üblichen dicken Faradey-Rotators eingesetzt, um die nichtreziproke Frequenzauf-Instead of the traditional crystal rotator, frequency splitting is used between the left circularly polarized waves and the right circularly polarized waves a not in one plane horizontal wave propagation path provided. A thin paramagnetic Faradey glass plate is used instead of the usual thick one Faradey rotators are used to reduce the non-reciprocal frequency
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spaltung zwischen den im Uhrzeigersinn umlaufenden und den im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen zu erreichen. Der nicht in einer Ebene liegende Ausbreitungsweg beseitigt nicht nur eine Hauptquelle der Streuung, nämlich den Kristallrotator, welche j eine Kopplung zwischen den verschiedenen Wellen hervorruft, son- ' dem führt auch zu einer sehr vollkommenen Zirkularpolarisation. Die Verwendung eines Glas-Faraday-Rotators vermeidet eine elliptische Doppelbrechung und ermöglicht so die Aufrechterhaltung j ! der zirkulären Polarisation. Dies führt weiter zur Beseitigung '< : einer Kopplung zwischen den verschiedenen Wellen, da eine per- ; fekt links zirkularpolarisierte Welle nach Reflexion zu einer rechts zirkularpolarisierten Welle wird und sich daher nicht in die entgegengesetzt umlaufende Welle einkoppelt. Dadurch, daß eine minimale Dicke der Rotatorscheibe vorgesehen wird, welche eine bestimmte Größe der Drehmng bewirkt, erhält man eine minimale Temperaturabhängigkeit von Streuzentren, welche durch die Scheibe eingeführt werden. Die kombinierten Maßnahmen zur Erzeugung und Aufrechterhaltung der zirkulären Polarisation beseitigen die Quellen einer beträchtlichen Menge von Drifterscheinungen aufgrund einer Kopplung zwischen den Wellen, so daß man einen genauer arbeitenden Laserkreisel erhält. To achieve a split between the clockwise and counterclockwise waves. The propagation path not lying in a plane not only eliminates a major source of dispersion, namely, the Kristallrotator which j is a coupling between the various shafts causes, special 'which also leads to a very perfect circular polarization. Using a glass Faraday rotator avoids elliptical birefringence and thus enables j! the circular polarization. This further leads to the elimination of '< : a coupling between the different waves, since one per-; fect left circularly polarized wave after reflection becomes a right circularly polarized wave and therefore does not couple into the oppositely rotating wave. By providing a minimum thickness of the rotator disk, which causes a certain amount of rotation, a minimum temperature dependence of scattering centers which are introduced by the disk is obtained. The combined measures to create and maintain the circular polarization eliminate the sources of a significant amount of drift due to coupling between the waves, so that a more accurately working laser gyro is obtained.
Die nun noch zu beachtenden Beschränkungen bezüglich der Wirkungsweise beruhen auf kleinen Verschiebungen oder Drifterscheinungen, verursacht durch Effekte höherer Ordnung. Ein Laserkreisel der hier angegebenen Art kann mit Vorteil den Zeeman-Aufspaltungseffekt in der Gai;mischung des Lasers ausnützen, um die Dispersionswirkung auszugleichen, welcher sich jede Welle der entgegengesetzt umlaufenden Wellenpaare gegenüber sieht. Hierdurch kann der Differenzausgang stabil gehalten werden, wenn die vier unterschiedliche Frequenzen aufweisenden Wellen kleine Frequenzveränderungen erfahren, welche diese Frequenzen in jeweils andere Bereiche der nichtlinearen Dispersionskurve bringen.The restrictions on the mode of operation that still need to be observed are based on small shifts or drift phenomena, caused by higher order effects. A laser gyro of the type specified here can advantageously use the Zeeman splitting effect in the gas mixture of the laser to compensate for the dispersion effect which each wave of the looks opposite rotating shaft pairs. This allows the differential output to be kept stable when the four different frequencies having waves small frequency changes find out what these frequencies bring into other areas of the nonlinear dispersion curve.
Bei einem Laserkreisel, wie er hier vorgeschlagen wird, finden Vorrichtungen Verwendung, welche mit dem in sich geschlossenenFind with a laser gyro as suggested here Devices use which with the self-contained
KhKh
Wellenausbreitungsweg gekoppelt sind und eine Kompensation an den elektromagnetischen Wellen für Phasenverschiebungsänderungen an diesen Wellen vornehmen, die durch Änderungen des Verstärkermediums eingeführt worden sind. Zur Erzeugung zirkularpolarisierter, in entgegengesetztem Sinn umlaufender Wellen jeweils unterschiedlicher Frequenzen in Paaren eines ersten und eines zweiten Polarisationssinnes werden Mittel eingesetzt, welche im wesentlichen frei von Streuzentren sind. Im einzelnen enthalten die Mittel zur Erzeugung der zirkulären Polarisation depolarisierungsfreie Mittel zur Erzeugung einer polarisationsabhängigen Phasenverschiebung der Wellen, so daß eine Frequenzaufspaltung zwischen den Wellen zueinander entgegengesetzten Richtungssinnes der zirkulären Polarisation auftritt. Außerdem sind depolarisationsfreie Mittel zur Erzeugung einer ausbrei— tungsrichtungsabhängigen Phasenverschiebung der Wellen vorqesehen, so daß es zu einer Frequenzaufspaltung zwischen den Wellen unterschiedlichen Umlaufsinnes der Ausbreitung innerhalb jedes Wellenpaares kommt. Die polarisationsabhängig wirkenden Mittel können einen nicht in einer Ebene liegenden Resonanzraum bzw. Wellenausbreitungsweg enthalten und die abhängig von der Ausbreitungsrichtung wirksamen Mittel können Einrichtungen enthalten, deren Brechungsindex bezüglich der richtungsunabhängigen Komponente isotrop ist. Vorzugsweise besitzen die abhängig von der Ausbreitungsrichtung wirksamen Mittel eine Streueigenschaft, welche im wesentlichen unabhängig von der Temperatur über den Betriebstemperaturbereich hinweg ist. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform haben die abhängig von der Ausbreitungsrichtung wirksamen Mittel die Form einer Scheibe oder Platte aus isotropem Werkstoff, welcher eine von der Ausbreitungsrichtung abhängige Drehung des elektromagnetischen Feldes der genannten Wellen in Gegenwart eines magnetischen Feldes erzeugt und eine solche Dicke besitzt, daß Änderungen dieser Dicke wesentlich weniger als eine Wellenlänge.der betreffenden Wellen über den Retriebstemperaturbereich hin ausmachen. Vorzugsweise ist das magnetische Feld zur Erzeugung der von der Ausbreitungsrichtung abhängigen Drehung auf den Bereich in unmittelbarer Nachbar-Wave propagation path are coupled and a compensation the electromagnetic waves for phase shift changes to make these waves caused by changes in the gain medium have been introduced. To generate circularly polarized waves rotating in opposite directions different frequencies in pairs of a first and a second sense of polarization are used means which are essentially free of scattering centers. In detail, contain the means for generating the circular polarization depolarization-free means for generating a polarization-dependent Phase shift of the waves so that a frequency split between the waves is opposite to one another Direction of the circular polarization occurs. In addition, depolarization-free means for generating a spreading direction-dependent phase shift of the waves, so that there is a frequency split between the waves different directions of the propagation within each wave pair. The polarization-dependent acting means can contain a resonance space or wave propagation path that is not in one plane and that depends on the direction of propagation Effective means can contain devices whose refractive index with respect to the direction-independent Component is isotropic. The agents that are effective depending on the direction of propagation preferably have a scattering property, which is essentially independent of temperature over the operating temperature range. According to a preferred The embodiment depends on the direction of propagation effective means the shape of a disk or plate made of isotropic material, which depends on the direction of propagation Rotation of the electromagnetic field generated by said waves in the presence of a magnetic field and such Thickness has that changes in this thickness are much less than a wavelength of the waves in question over the operating temperature range make out. The magnetic field is preferably used to generate the direction of propagation dependent rotation on the area in the immediate vicinity
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schaft der Scheibe oder Platte lokalisiert. Zusätzlich enthalten diejenigen Einrichtungen, welche zur Kompensation der Phasenverschiebung aufgrund des Verstärkermediums dienen, Mittel zur Erzeugung eines Magnetfeldes, welches in Längsrichtung mit Bezug auf die Achse des Verstärkermediums orientiert ist und eine Größe und Polung besitzt, welche im wesentlichen dieselbe Größe der durch das Verstärkermedium 'eingeführten Phasenverschiebung in den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen jedes Wellenpaares erzeugt.shank of the disc or plate localized. Also included those devices which serve to compensate for the phase shift due to the amplifier medium, means for generating a magnetic field which is oriented in the longitudinal direction with respect to the axis of the amplifier medium and has a magnitude and polarity which are essentially the same as the magnitude of the phase shift introduced by the gain medium generated in the oppositely rotating waves of each wave pair.
Ein Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser der vorliegend angegebenen Art kann auch als ein Kreiselsystem beschrieben werden, bei welchem ein in sich geschlossener, nicht in einer Ebene liegender Ausbreitungsweg zirkularpolarisierter elektromagnetischer Wellen vorgesehen ist, wobei Einrichtungen zur Frequenzaufspaltung an Wellen mit entgegengesetztem Polarisationssinn dienen, ein Verstärkermedium in dem Ausbreitungsweg gelegen ist, depolarisationsfreie Einrichtungen eine von der Ausbreitungsrichtung abhängige Phasenverschiebung an den zirkularpolarisierten Wellen bewirken, wodurch eine Frequenzaufspaltung zwischen den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen des jeweiligen Polarisationssinnes erreicht wird und wobei schließlich Mittel zur Kompensation einer ungleichen Dispersion aufgrund des Verstärkermediums an den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen wirksam sind.A ring laser rotary speedometer of the type specified herein Art can also be described as a gyroscopic system in which a self-contained, not in one plane Propagation path of circularly polarized electromagnetic waves is provided, with devices for frequency splitting serve on waves with opposite polarization sense, an amplifier medium is located in the propagation path, depolarization-free Devices a phase shift dependent on the direction of propagation on the circularly polarized waves cause a frequency split between the oppositely rotating waves of the respective sense of polarization is achieved and finally means for compensating for uneven dispersion due to the gain medium are effective on the oppositely rotating shafts.
Zur Entfernung streuender Partikel können geeignete Vorrichtungen vorgesehen sein, welche eine im Elektrodenbereich befindliche Ablenkplatte enthalten. Die von der Ausbreitungsrichtung abhängig wirkenden Mittel, welche depolarisationsfrei wirken, enthalten eine Platte oder Tafel aus isotropischem Werkstoff mit einer von Null verschiedenen Verdet-Konstanten sowie Einrichtungen zur Erzeugung eines magnetischen Feldes innerhalb der Platte oder Tafel, wobei vorzugsweise Absorptionseinrichtungen verwendet werden, um reflektierte Wellenenergie aufzusammeln. Die Mittel zur Kompensation des DispersionsverhaltensSuitable devices can be provided for removing scattering particles, which devices are located in the electrode area Deflector included. The means, which are dependent on the direction of propagation and have a depolarization-free effect, contain a plate or board made of isotropic material with a non-zero Verdet constant and devices for generating a magnetic field within the plate or board, preferably absorption devices used to collect reflected wave energy. The means to compensate for the dispersion behavior
enthalten Einrichtungen zur Erzeugung einer Komponenten des mag- ι netischen Feldes im Verstärkungsmedium längs seiner Längsachse, wobei Feldkomponenten ausreichender Größe entstehen, um eine Frequenzaufspaltung bezüglich der Verstärkung und der Dispersionseigenschaft zu erhalten, welche im wesentlichen gleich der Frequenzaufspaltung zwischen den entgegengesetzt zueiander umlaufenden Wellen aufgrund der depolarisationsfreien Einrichtungen ist. Die magnetische Feldkomponente besitzt eine solche Polung, daß im wesentlichen gleiche Größen der Dispersion aufgrund des Verstärkermediums den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen mitgeteilt werden. Im einzelnen variieren die Einrichtungen zur Erzeugung des magnetischen Feldes das Magnetfeld in Abhängigkeit der mittleren Größe der Frequenzaufspaltung der entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen aufgrund der Wirkung der richtungsabhängig arbeitenden, depolarisationsfreien Einrichtungen. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform enthalten die Einrichtungen zur Erzeugung des magnetischen Felde s mindestens eine Spule, welche einen Teil des das Verstärkermedium enthaltenden Wellenausbreitungsweges umschlingt, ferner Mittel zur Messung der Größen der Frequenzaufspaltung in den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen aufgrund der richtungsabhängig wirkenden, depolarisationsfreien Einrichtungen sowie Mittel zur Erzeugung eines Stromes in der Spule proportional zum mittleren Wert der Frequenzaufspaltung. Bei dem hier vorgeschlagenen Laserkreisel ist ein Faraday-Rotator vorgesehen, welcher ein Trägergehäuse umfaßt, ferner Mittel zur Erzeugung einer Faraday-Rotation innerhalb des Gehäuses aufweist sowie Mittel zur Absorption elektromagnetischer Wellen auf mindestens einer Seite der die Faraday-Rotation erzeugenden Einrichtungen vorsieht, um einen wesentlichen Anteil der Wellen durch die die Faraday-Rotation erzeugenden Mittel hindurchzulassen, welche derart angeordnet sind, daß ein reflektierter Anteil der Wellenenergie in Richtung auf die Absorptionsmittel gelenkt wird.contain facilities for generating a component of the mag- ι Netic field in the gain medium along its longitudinal axis, with field components of sufficient size arise to split the frequency in terms of gain and dispersion property which are substantially equal to the frequency split between the oppositely rotating waves due to the depolarization-free devices is. The magnetic field component has such a polarity that essentially the same size of the dispersion due to the Amplifier medium are communicated to the oppositely rotating waves. The facilities vary in detail to generate the magnetic field the magnetic field as a function of the mean size of the frequency split of the opposite mutually rotating waves due to the effect of the direction-dependent working, depolarization-free devices. According to a preferred embodiment, the devices for generating the magnetic field contain at least a coil which wraps around part of the wave propagation path containing the amplifier medium, further means for measuring the magnitudes of the frequency splitting in the waves rotating in opposite directions due to the direction-dependent, depolarization-free devices and Means for generating a current in the coil proportional to the mean value of the frequency split. With the one proposed here Laser gyro, a Faraday rotator is provided which comprises a support housing, further means for generating a Faraday rotation within the housing and means for absorbing electromagnetic waves at least one side of the devices producing the Faraday rotation provides to allow a substantial portion of the waves to pass through the Faraday rotation generating means, which are arranged such that a reflected portion of the wave energy is directed towards the absorbent.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch aus-Advantageous refinements and developments are the subject matter of the appended claims, the content of which is hereby defined
drücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Einzelheiten werden nachfolgend unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Es stellen dar:is expressly made part of the description without to repeat the wording at this point. Details are given below with reference to the accompanying drawing described in more detail using exemplary embodiments. They represent:
Fig. 1 eine perspektivische Aufsicht eines Ringlaser-Drehgeschwind igkeitsmessers,Fig. 1 is a perspective top view of a ring laser rotational speed scoreboard,
Fig. 2 eine perspektivische Untersicht der Einrichtung nach Figur 1 von einer anderen Ecke her betrachtet, FIG. 2 shows a perspective bottom view of the device according to FIG. 1 viewed from another corner,
Fig. 3 perspektivische Ansichten eines Laserkreisel-3 perspective views of a laser gyro
und 4 Blockes gemäß Figur 1 von einer dritten Ecke her gesehen, wobei der innere Aufbau und die in dem Gerät gebildeten Kanäle gezeigt sind,and 4 block according to Figure 1 seen from a third corner, the internal structure and in the Device formed channels are shown,
Fig. 5 einen Schnitt durch die Einrichtung nach Figur 1 zur Verdeutlichung des inneren Aufbaus im Bereich einer der Anschlußkammern und des Trägers für einen Spiegel,5 shows a section through the device according to FIG. 1 to illustrate the internal structure in the area one of the connection chambers and the support for a mirror,
Fig. 6 einen Schnitt zur Verdeutlichung des Aufbaus des Faraday-Rotators des Laserkreisels nach Figur 1 in Einzelheiten,Fig. 6 is a section to illustrate the structure of the Faraday rotator of the laser gyro according to Figure 1 in detail,
Fig.6A eine Aufsicht auf einen Teil des Laserkreisels gemäß Figur 1 im Bereich des in Figur 6 gezeigten Faraday-Rotators, welcher in Aufsicht gezeigt ist,6A shows a plan view of part of the laser gyro according to Figure 1 in the area of the Faraday rotator shown in Figure 6, which is shown in plan view is,
Fig. 7 eine graphische Darstellung, in welcher der Leistungsverminderungsfaktor als Funktion des Einfallswinkels des Strahlungsstrahles auf einen Ausgangsspiegel aufgetragen ist,7 is a graph showing the derating factor is plotted as a function of the angle of incidence of the radiation beam on an exit mirror,
Fig.8A ein Diagramm, in welchem der Verstärkungsgewinn in Abhängigkeit der Frequenz im gasförmigen Lasermedium aufgetragen ist, das in einem Laserkreisel gemäß Figur 1 verwendet wird, wobei die relativen Lagen der Frequenzen der vier Strahlen oder Wellen innerhalb des Systems eingetragen sind,8A shows a diagram in which the gain in gain as a function of the frequency in the gaseous laser medium is applied, which is used in a laser gyro according to Figure 1, the relative The positions of the frequencies of the four rays or waves within the system are entered,
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Fig.8B ein Diagramm zur Darstellung der Phasenverschiebung (Dispersion) in Abhängigkeit von der Frequenz entsprechend dem Verstärkermedium gemäß Figur 8A,8B shows a diagram to show the phase shift (dispersion) as a function of the frequency corresponding to the amplifier medium according to Figure 8A,
Fig.8C ein Diagramm zur Darstellung der Phasenverschiebung (Dispersion) in Abhängigkeit von der Frequenz im Lasermedium in Gegenwart eines magnetischen Feldes, wobei die relativen Lagen der Frequenzen der vier Strahlen des Systems eingezeichnet sind undFIG. 8C is a diagram showing the phase shift (dispersion) as a function of the frequency in the laser medium in the presence of a magnetic field, the relative Locations of the frequencies of the four rays of the system are shown and
Fig. 9 eine Darstellung der Energieniveaus zur Verdeutlichung der Aufspaltung der Energieniveaus in Gegenwart eines magnetischen Feldes»9 shows a representation of the energy levels to illustrate the splitting of the energy levels in the presence of a magnetic field »
Anhand der Figuren 1 bis 5 seien nun Aufbau und Wirkungsweise eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeit.smessers der vorliegend angegebenen Art beschrieben. Ein Block 102 bildet die Halterung, mittels welcher das gesamte System aufgebaut ist. Die Block ist vorzugsweise aus einem Werkstoff mit niedrigem thermischem Ausdehnungskoeffizienten gefertigt, beispielsweise aus Glaskeramik, um die Einflüsse von Temperaturänderungen auf den Laserkreisel minimal zu halten. Ein geeigneter Werkstoff, welcher im Handel erhältlich ist, wird von der Firma Owens-Illinois Company unter der Bezeichnung Cer-Vit, C-IOl auf den Markt gebracht. Brauchbar ist auch der Werkstoff "Zerodur" der Firma Schott.The structure and mode of operation are now based on FIGS of a ring laser rotary speed meter of the one specified here Type described. A block 102 forms the holder by means of which the entire system is constructed. The block is preferably made of a material with low thermal Expansion coefficients made, for example, from glass ceramic, to keep the effects of temperature changes on the laser gyro to a minimum. A suitable material, which in the Commercially available is marketed by Owens-Illinois Company under the designation Cer-Vit, C-IOl. The material "Zerodur" from Schott can also be used.
Der Block 102 besitzt neun im wesentlichen ebene Oberflächen, wie aus den verschiedenen Ansichten der Figuren 1 bis 4 ersichtlich ist. Am deutlichsten ist aus den Figuren 3 und 4, welche den Block 102 ohne die anderen Bauteile des Systems zeigen, zu erkennen, daß Kanäle 108, 110, 112 und 114 zwischen vier der Oberflächen des Blockes 102 vorgesehen sind. Die Kanäle bilden einen nicht in einer Ebene gelegenen, in sich geschlossenen Ausbreitungsweg innerhalb des Blockes 102.The block 102 has nine essentially flat surfaces, as can be seen from the various views of FIGS is. Most clearly from Figures 3 and 4, which show the block 102 without the other components of the system, It can be seen that channels 108, 110, 112 and 114 are provided between four of the surfaces of the block 102. The channels form a non-in-plane, self-contained propagation path within the block 102.
An den Mündungen der Kanäle in den Flächen 122, 124, 126 undAt the mouths of the channels in surfaces 122, 124, 126 and
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128 sind Spiegel vorgesehen. Trägerkörper 140 und 142 mit in geeigneter Weise verspiegelten Oberflächen bilden die Spiegel, welche auf die Flächen 124 bzw. 126 aufgesetzt sind. Eine verspiegelte Fläche ist außerdem unmittelbar in der Nähe der Fläehe 128 an der Stirnseite eines zur Regelung der Weglänge des Ausbreitungsweges dienenden Wandlers 160 vorgesehen. Einer der genannten Spiegel ist leicht konkav ausgebildet, um sicherzustellen, daß die Wellenstrahlen stabil bleiben und im wesentlichen auf die Mitte der Kanäle gebündelt bleiben. Weiter ist auf der Fläche 122 ein transparenter Spiegelträgerkörper 138 vorgesehen, welcher teildurchlässige dielektrische Spiegelschichten 139 aufweist, um einen Teil jedes sich längs eines geschlossenen Weges ausbreitenden Wellenstrahles aus dem Block 102 auszukoppeln und in die Ausgangsoptik 144 zu lenken. Der Aufbau dieser Ausgangsoptik 144 läßt sich im einzelnen beispielsweise der US-Patentschrift 4 141 651 entnehmen.128 mirrors are provided. Carrier bodies 140 and 142 with surfaces mirrored in a suitable manner form the mirrors which are placed on surfaces 124 and 126, respectively. A mirrored surface is also provided in the immediate vicinity of the surface 128 on the end face of a transducer 160 used to regulate the path length of the propagation path. One of the said mirrors is made slightly concave in order to ensure that the wave rays remain stable and remain focused essentially on the center of the channels. Furthermore, a transparent mirror carrier body 138 is provided on the surface 122, which has partially transparent dielectric mirror layers 139 in order to decouple part of each wave beam propagating along a closed path from the block 102 and direct it into the output optics 144. The structure of these output optics 144 can be found in detail, for example, in US Pat. No. 4,141,651.
Nachdem die Kanäle 108, 110, 112 und 114 für die verschiedenen Wellenstrahlen innerhalb des Systems einen nicht in einer Ebene liegenden Ausbreitungsweg bilden, erleidet jeder Wellenstrahl eine Polarisationsdrehung, während er sich in dem geschlossenen Weg ausbreitet. Theoretisch existieren nur Wellenstrahlen mit im wesentlichen zirkularer Polarisation in dem nichtplanaren Ausbreitungsweg des hier angegebenen Laserkreisels. Bei zirkularpolarisierten Wellenstrahlen sind Drifterscheinungen aufgrund von Streuungen des Wellenstrahls oder aufgrund einer Kopplung von einem Wellenstrahl zu dem anderen Wellenstrahl minimal. Diese Verminderung von Drifterscheinungen beruht darauf, daß Licht des einen zirkulären Polarisationssinnes bei Streuung nicht die richtige Polarisation besitzt, um in die jeweils anderen Wellenstrahlen einqekoppelt zu werden oder diese Wellenstrahlen zu beeinflussen. Für Licht mit anderen Arten der Polarisation ist dies nicht der Fall, da sich stets Komponenten "des gestreuten Wellenstrahls ergeben, welche sich in den anderen Wellenstrahl einkoppeln.Since the channels 108, 110, 112 and 114 for the various wave beams within the system do not have one Forming a plane path of propagation, each wave beam undergoes a polarization rotation while it is in the closed one Spreading away. Theoretically, only wave rays with essentially circular polarization exist in the non-planar propagation path of the laser gyro specified here. In the case of circularly polarized wave beams, there are drift phenomena due to scattering of the wave beam or due to coupling from one wave beam to the other Wave ray minimal. This reduction of drift phenomena is based on the fact that light of one circular sense of polarization does not have the correct polarization in the case of scattering in order to be coupled into the other wave beams to become or to influence these wave rays. This is not the case for light with other types of polarization Case, since there are always components "of the scattered wave beam, which are coupled into the other wave beam.
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! Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind die Kanäle und
i
die reflektierenden Spiegel so angeordnet, daß sich für die verschiedenen Wellenstrahlen eine Drehung der Polarisation um
im wesentlichen 90° ergibt. Da Wellenstrahlen rechtssinniger und linkssinniger zirkularer Polarisation um diesen Betrag jeweils
in entgegengesetzter Richtung verdreht werden, was unabhängig von ihrer Ausbreitungsrichtung geschieht, tritt eine
Frequenzaufspaltung zwischen den Wellenstrahlen rechtssinniger
und linkssinniger zirkularer Polarisation auf, wenn für die betreffenden
Wellenstrahlen innerhalb des optischen Resonanzhohlraumes oder Ausbreitungsweges ein Resonanzzustand herrschen soll.
Dies ist in Figur 8A gezeigt, wobei die Frequenzaufspaltung zwischen
den Wellenstrahlen linkssinniger und rechtssinniger zirkularer Polarisation deutlich wird. Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
findet eine 90°-Drehung entsprechend einer relativen Phasenverschiebung von 180° statt, doch können auch andere
Phasenverschiebungen voijesehen werden, je nachdem, welche
Frequenzaufspaltung gewünscht wird. Eine Drehung der Polarisation
findet statt, solange der in sich geschlossene Ausbreitungsweg nicht in einer Ebene liegt. Die Ausbildung der Ausbreitungswege
im einzelnen bestimmt di'j Größe der Drehung.! In a preferred embodiment, the channels and i
the reflecting mirrors are arranged so that a rotation of the polarization of essentially 90 ° results for the various wave beams. Since wave beams of right-hand and left-hand circular polarization are rotated by this amount in opposite directions, which happens regardless of their direction of propagation, a frequency split occurs between the wave beams of right-hand and left-hand circular polarization, if a resonance state for the wave rays in question within the optical resonance cavity or propagation path should rule. This is shown in FIG. 8A, the frequency splitting between the wave beams of left-hand and right-hand circular polarization becoming clear. According to a preferred embodiment, there is a 90 ° rotation corresponding to a relative phase shift of 180 °, but other phase shifts can also be seen, depending on which frequency split is desired. A rotation of the polarization takes place as long as the self-contained propagation path does not lie in one plane. The formation of the propagation paths in detail determines the magnitude of the rotation.
Bei bisher bekannten Systemen der hier interessierenden Art, etwa bei einem Laserkreisel nach der deutschen Patentschrift 22 09 397, fand die Frequenzaufspaltung zwischen Wellenstrahlen rechtssinniger und linkssinniger zirkularer Polarisation in der Weise statt, daß ein Block aus einem festen Werkstoff beträchtlicher optischer Dicke in den Ausbreituncjsweg eingesetzt wurde. Die Gegenwart jedweden Feststoffes unmittelbar im Ausbreitungsweg der Wellenstrahlen führt zur Ausbildung von Streuzentren, von welchen aus Licht in unerwünschter Weise von einem Wellenstrahi zum anderen Wellenstrahl hin angekoppelt wird, so daß ein Fehler im Ausgangssignal des Laserkreisels entsteht. Der Grad der Kopplung und damit die Größe des Fehlers sind sehr stark temperaturabhängig. Aus diesem Grunde war die Ausgangsfrequenz derartiger Geräte temperatürabhang igen Drifterscheinun-With previously known systems of the type of interest here, for example with a laser gyro according to the German patent specification 22 09 397, found the frequency split between right-handed and left-handed circular polarization waves in the Way instead of making a block of solid material more substantial optical thickness was used in the propagation path. The presence of any solid material directly in the path of propagation of the wave rays leads to the formation of scattering centers, from which light is coupled in an undesirable manner from one wave beam to the other wave beam, so that an error occurs in the output signal of the laser gyro. The degree of coupling and therefore the size of the error are very high strongly dependent on temperature. Because of this, the output frequency was such devices, temperature-dependent drift phenomena
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! gen ausgesetzt, welche durch eine feste Ausgangs-Frequenzvorspannung nicht kompensiert werden konnten. Außerdem führt ein Kristallrotator ein bestimmtes Maß an spannungsbedingter Doppelbre- ! conditions which could not be compensated for by a fixed output frequency bias. In addition, a crystal rotator performs a certain amount of stress-related double
j chung ein, welche das Bestreben hat, die zirkularpolarisierten Wellen zu depolarisieren, was ebenfalls zur unerwünschten Kopp-j chung, which strives to depolarize the circularly polarized waves, which also leads to undesired coupling
: lung zwischen den Wellen beiträgt. Hieraus resultiert ein Laserkreisel mit einer Veränderung der Ausgangsfrequenz über die Zeit hinweg in der Größenordnung von bestenfalls einigen zig Hz und in manchen Fällen hunderten von Hz. Mit dem vorliegend verwende-: development between the waves. This results in a laser gyro with a change in the output frequency over time in the order of magnitude of a few tens of Hz and at best in some cases hundreds of Hz.
, ten Konstruktionsprinzip wird der Feststoff, welcher bisher zur Verwirklichung des Kristallrotators eingesetzt wurde, vollständig aus dem Ausbreitungsweg für die Wellenstrahlen entfernt, wodurch die Quellen für Fehler und Drifterscheinungen, soweit sie auf diesem Feststoff beruhen, ausgeschlossen werden., th construction principle is the solid, which was previously the Realization of the crystal rotator was used, completely removed from the propagation path for the wave rays, thus reducing the sources of errors and drift phenomena as far as they are based on this solid can be excluded.
Zur Erleichterung des Verständnisses der Vorgänge, welche zur Phasenverschiebung führen, ist es zweckmäßig, sich vorzustellen, daß sich eine linearpolarisierte Welle in dem Ausbreitungsweg ausbreitet und umläuft. Vorliegend sei die 180°-Phasenverschiebung, welche eine elektromagnetische Welle bei Reflexion erleidet, nicht berücksichtigt. Da eine gerade Anzahl (vorliegend vier) von derartigen Reflexionen vorgesehen ist, wird hierdurch kein Fehler gemacht. Es sei beispielsweise angenommen, daß der in dem Kanal 110 zwischen den Flächen 122 und 124 sich ausbreitende Wellenstrahl linear polarisiert sei, wobei der elektrische Vektor nach aufwärts weist. Wenn der Wellenstrahl an dem an der Fläche 124 vorgesehenen Spiegel reflektiert wird, so weist der elektrische Vektor immer noch nahezu nach aufwärts, jedoch mit einer leichten Vorwärtsneigung, da der Kanal 112 zwischen den Flächen 124 und 128 abfällt. Wenn der Wellenstrahl dann an dem auf die Fläche 128 gesetzten Spiegel reflektiert wird, so weist der Vektor nahezu nach links mit einer leichten Abwärtsneigung, wie am besten aus den Figuren 3 und 4 zu ersehen ist. Wenn der Wellenstrahl von der Fläche 126 reflektiert wird, so würde der elektrische Vektor des Wellenstrahls innerhalb des Kanals 108 nach links weisen und dabei eine leichteTo make it easier to understand the processes that lead to the phase shift, it is useful to imagine that a linearly polarized wave propagates and orbits in the propagation path. Here is the 180 ° phase shift, which an electromagnetic wave suffers upon reflection is not taken into account. Since an even number (in this case four) of such reflections is provided, this will not make a mistake. For example, assume that the in the channel 110 between the surfaces 122 and 124 propagating wave beam is linearly polarized, the electrical Vector points upwards. If the wave beam is reflected on the mirror provided on the surface 124, so the electrical vector is still pointing almost upwards, but with a slight forward inclination, since channel 112 drops between surfaces 124 and 128. When the wave beam then reflects off the mirror placed on the surface 128 the vector points almost to the left with a slight downward slope, as can best be seen from FIGS is. If the wave beam is reflected off surface 126, the electrical vector of the wave beam would be within of the channel 108 point to the left and thereby a slight
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j Aufwärtsneigung haben, wie ebenfalls aus den Figuren 3 und 4 ab- i zuleiten ist. Nach Reflexion an der Fläche 122 weist der elektrische Vektor des Wellenstrahls in dem Kanal 110 immer noch nach links in die Zeichenebene hinein. Man sieht somit, daß der Wellenstrahl , wenn er zu dem Kanal 110 zurückgekehrt ist, eine Dre- I hung der Polarisation um annähernd 90" erfahren hat. Selbstver- | ständlich kann ein derartiger gedrehter linearpolarisierter Wellenstrahl sich nicht selbst verstärken und längs des geschlossenen Weges in Resonanz kommen. Nur zirkularpolarisierte Wellen- ! strahlen mit einer Frequenzverschiebung gegenüber derjenigen Frequenz, welche im Resonanzfall bei Ausbreitung des Wellenstrahls in einem ebenen in sich geschlossenen Weg gleicher Länge auftreten würde, geraten in Resonanz.j have an upward slope, as also shown in FIGS. 3 and 4 is forwarded. After reflection at surface 122, the electrical vector of the wave beam in channel 110 is still detecting left into the drawing plane. It can thus be seen that when the wave beam has returned to channel 110, it is a Dre-I has experienced an increase in polarization by approximately 90 ". Of course, such a rotated linearly polarized wave beam do not reinforce themselves and come into resonance along the closed path. Only circularly polarized waves! radiate with a frequency shift compared to the frequency that occurs in the case of resonance when the wave beam propagates would occur in a flat, self-contained path of the same length, come into resonance.
Ein mit zwei Frequenzen arbeitender Laserkreisel kann unter Verwendung eines nicht in einer Ebene liegenden Ausbreitungsweges aufgebaut werden, um die einzige Freguenzaufspaltung zu erzeugen. In einem derartigen Laserkreisel ist kein Faraday-Rotator oder ein anderes derartiges Element erforderlich. Zur Messung einer Drehgeschwindigkeit wird ein Ausgangssignal erzeugt, indem die jeweils ausgekoppelten Anteile der beiden Wellenstrahlen einander überlagert werden, so daß sich ein Ausgangssignal ergibt, dessen Frequenz gleich der Differenz der Frequenzen der beiden Wellenstrahlen ist. Im Stillstand oder in der Ruhe bleibt das Ausgangssignal auf einem bestimmten Wert f . Bei Auftreten einer Drehung in einer Richtung erhöht sich das Ausgangssignal auf einen Wert fo+^/\f, wobei /Λ^ f proportional zur Drehgeschwindigkeit ist, während die Frequenz auf einen Wert ΐο~/\£ bei Drehung in der anderen Richtung absinkt. Durch den hier angegebenen Konstruktionsgedanken wird eine Uberkopplunq aufgrund eines Rückstreuens stark vermindert, so daß der Lock-in-Bereich oder Frequenzeinrastungsbereich sich stark vermindert, derart, daß ein solcher Laserkreisel in vielen Anwendungsfällen eingesetzt werden kann, ohne daß eine vollständige Beseitigung des Lock-in-Effektes notwendig ist.A dual frequency laser gyro can be built using a non-coplanar propagation path to produce the single frequency split. No Faraday rotator or other such element is required in such a laser gyro. To measure a rotational speed, an output signal is generated by superimposing the respectively decoupled components of the two wave beams so that an output signal is obtained whose frequency is equal to the difference between the frequencies of the two wave beams. At standstill or at rest, the output signal remains at a certain value f. When a rotation occurs in one direction, the output signal increases to a value f o + ^ / \ f, where / Λ ^ f is proportional to the speed of rotation, while the frequency increases to a value ΐ ο ~ / \ £ when rotating in the other direction sinks. The design concept given here greatly reduces overcoupling due to backscattering, so that the lock-in range or frequency lock-in range is greatly reduced, so that such a laser gyro can be used in many applications without completely eliminating the lock-in Effect is necessary.
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Ein Faraday-Rotator 156 ist innerhalb eines Abschnittes 113 des Kanals 112 vergrößerten Durchmessers in der Nähe der Fläche 124 angeordnet, wie aus den Figuren 2, 4 und 6A erkennbar ist. Einzelheiten des Aufbaus des Faraday-Rotators 156 sind den Figuren ι 6 und 6A zu entnehmen. Die Halterung 154 für den Faraday-Rotator ; ist vorzugsweise aus demselben Werkstoff wie der Block 102 gefertigt und bildet die Basis, auf welcher das Rotatorsystem aufgebaut ist. Die Halterung 154 besitzt zylindrische Gestalt und hat verschiedene zylindrische Abschnitte eines Durchgangskanals von jeweils wechselndem Durchmesser, wobei der Durchgangskanal im Winkel zur Längsachse der Halterung 154 verläuft. In den verschiedenen Abschnitten sind die Teile des Faraday-Rotators 156 in vorbestimmter Lage gehaltert, wobei sich ein nicht verlegter Ausbreitungsweg entlang der Mittellängsachse der Halterung 154 ergibt. Die Faraday-Rotatorscheibe 165 stützt sich gegen einen Absatz 166 ab, der im mittleren Teil der Halterung 154 gebildet ist. Ein Ring 169 verhindert eine seitliche Bewegung der Scheibe 165. Die Faraday-Rotatorscheibe 165 kann aus einem mit einem Seltenerdenelement dotierten Glas oder einem Material gefertigt sein, welches eine ähnlich hohe Verdet-Konstante hat. Eine Verdet-Konstante in einer Größe von über 0,25 min/cm/Oe bei der Betriebswellenlänge erweist sich als zweckmäßig, um die für eine gewünschte Frequenzaufspaltung erforderliche Dicke der Rotatorscheibe zu vermindern. Herkömmliche Faraday-Rotatoren enthielten eine dicke Werkstoffscheibe, oft aus geschmolzenem Quarz. Jeder feste Stoff in dem Ausbreitungsweg der entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellenstrahlen führt, wie bereits gesagt, Streuzentren ein, welche gegenüber Wärmeströmungen empfindlich sind. Diese Empfindlichkeit kann auf der thermischen Ausdehnung des Werkstoffs oder auf einer Änderung der optischen Weglänge aufgrund der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex des Werkstoffs beruhen. Die effektive Temperaturabhängigkeit der optischen Weglänge und damit die thermisch eingeführte Drift, hat sich als stark positive Funktion der Dicke des festen Stoffes in dem Ausbreitungsweg der Wellenstrahlen herausgestellt. Es ist daher wünschenswert, eine so dünn wie möglich bemesseneA Faraday rotator 156 is within a portion 113 of the enlarged diameter channel 112 near surface 124 arranged, as can be seen from Figures 2, 4 and 6A. details the structure of the Faraday rotator 156 can be seen in FIGS. 6 and 6A. The bracket 154 for the Faraday rotator ; is preferably made from the same material as the block 102 and forms the basis on which the rotator system is built. The holder 154 has a cylindrical shape and has different cylindrical sections of a through-channel of varying diameters, the through-channel runs at an angle to the longitudinal axis of the holder 154. In the different Sections are the parts of the Faraday rotator 156 held in a predetermined position, with one not misplaced Propagation path along the central longitudinal axis of the holder 154 results. The Faraday rotator disk 165 is supported against one Paragraph 166, which is formed in the central part of the bracket 154. A ring 169 prevents the disk from moving sideways 165. The Faraday rotator disk 165 can be made of a rare earth element doped glass or material which has a similarly high Verdet constant. A Verdet constant with a magnitude of over 0.25 min / cm / Oe at the Operating wavelength proves to be expedient to the thickness of the rotator disk required for a desired frequency split to diminish. Conventional Faraday rotators contained a thick disk of material, often made of fused quartz. Everyone Solid matter in the path of propagation of the oppositely circulating wave rays leads, as already said, scattering centers which are sensitive to heat currents. This sensitivity can be due to the thermal expansion of the Material or on a change in the optical path length due to the temperature dependence of the refractive index of the material are based. The effective temperature dependence of the optical path length and thus the thermally introduced drift has turned out to be a strongly positive function of the thickness of the solid matter in the propagation path of the wave rays. It it is therefore desirable to have one sized as thinly as possible
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Faraday-Rotatorscheibe zu verwenden und eine Dicke von 0,5 mm oder darunter ist vorteilhaft, um die Drifterscheinung auf ein annehmbares Maß herabzusetzen, so daß sich durch Temperaturänderung oder durch andere Ursachen bedingte Dickenänderungen von wesentlich weniger als einer Wellenlänge der Laserwellen über den Betriebsbereich hin ergeben. Ein im Handel erhältlicher Werkstoff ist das von Firma Hoya Optics, Inc., unter der Bezeichnung Nr. FR-5 in den Handel gebrachte Material, welches ein Glas ist, das mit paramagnetischem Werkstoff dotiert ist, um eine Faraday-Drehung zu bewirken, wodurch ein Rotator erhalten wird, der einen isotropen Brechungsindex aufweist. Dies hat sich als wichtig herausgestellt, da bei herkömmlichen Faraday-Rotatoren das Problem auftritt, daß das verwendete Kristallmaterial, beispielsweise Quarz, einen anisotropen Brechungsindex besitzt, woraus sich eine elliptische Doppelbrechung ergibt. Dadurch erfolgt eine Depolarisation dor zunächst zirkularpolarisierten Wellen, was zu einer erhöhten Kopplung zwischen den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellenstrahlen führt. Es ist somit von Wichtigkeit, für den Faraday-Rotator einen isotropen Werkstoff zu wählen, um eine Depolarisation der in Resonanz befindlichen Schwingungszustände zu vermeiden. Wird beim Betrieb so streng wie möglich auf zirkuläre Polarisation geachtet, so wird hierdurch die Überkopplung vermindert und dadurch die thermisch eingeführte Drifterscheinung aufgrund aller noch vorhandenen Streuzentren herabgesetzt. Dies führt zu einem Laserkreisel, welcher einen Grad von Stabilität aufweist, der einer Änderung der Ausgangsfrequenz über die Zeit hinweg von einigen wenigen Hz oder darunter entspricht.Use a Faraday rotator disc and a thickness of 0.5 mm or below is beneficial to the drift phenomenon reduce to an acceptable level, so that changes in the thickness of result in significantly less than one wavelength of the laser waves over the operating range. A commercially available one Material is the material marketed by Hoya Optics, Inc. under the designation No. FR-5, which is a glass is doped with paramagnetic material to cause Faraday rotation, thereby obtaining a rotator, which has an isotropic index of refraction. This has been found to be important with conventional Faraday rotators the problem arises that the crystal material used, for example quartz, has an anisotropic refractive index, from which elliptical birefringence results. This results in a depolarization of the initially circularly polarized waves, which leads to an increased coupling between the oppositely circulating wave beams. It is thus from It is important to choose an isotropic material for the Faraday rotator in order to depolarize those in resonance Avoid vibrations. If circular polarization is observed as strictly as possible during operation, this will result in the cross-coupling is reduced and thereby the thermally introduced drift phenomenon due to all the scattering centers that are still present degraded. This results in a laser gyro that has a degree of stability that of changing the output frequency corresponds to a few Hz or less over time.
Die Faraday-Rotatorscheibe 165 wird gegen den Absatz 166 durch die Magnetanordnung 188 angedrückt. Zwei hohlzylindrische Permanentmagneten 186 und 187 dieser Magnetanordnung sind mit ihren Stirnseiten aneinandergesetzt, wobei sich an ihrer Trennfuge gleichnamige Pole gegenüberstehen. Die beiden Magneten können in an sich bekannter Weise aneinander befestigt sein, beispielsweise durch eine Lötverbindung oder Verschweißung. DieThe Faraday rotator disk 165 is pressed against the shoulder 166 by the magnet assembly 188. Two hollow cylindrical permanent magnets 186 and 187 of this magnet arrangement are placed against one another with their end faces, with opposite poles of the same name. The two magnets can be attached to one another in a manner known per se, for example by soldering or welding. the
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Faraday-Rotatorscheibe 165 befindet sich dann an einem Ende des aus den zwei Magneten bestehenden Magnetpaars. In der Scheibe wird ein in Längsrichtung orientiertes Magnetfels erzeugt, doch schwächt sich dieses Feld bei Fortschritt um ein kurzes Wegstück von der Scheibe oder den Magneten hinweg rasch ab. Der Vorteil ist bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel, daß im wesentlichen kein magnetisches Streufeld erzeugt wird, welches in den gasförmigen Entladungsbereich hineinreicht und dort durch den Zeeman-Effekt unerwünschte Schwingungszustände oder einen Frequenzversatz verursachen könnte. Es ist auch möglich, einen einzigen Magnet zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes in der Faraday-Rotatorscheibe zu verwenden. Die Permanantmagnetanordnung kann auch durch einige wenige Drahtwindungen ersetzt werden, um einen elektrischen Strom hindurchzuleiten, der das Magnetfeld in der Faraday-Rotatorscheibe 165 zu erzeugen vermag. Eine Feder 175 drückt gegen die Magnetanordnung 188. Auf der anderen Seite stützt sich die Feder 175 gegen den Rand einer hohlzylindrischen Abstandshülse 197 ab, welche wiederum teilweise auf einer Seite eines hohlzylindrischen Absorbers 191 abgestützt ist. Letzterer ist aus geeignetem Werkstoff wie schwarzem Glas gefertigt und besitzt einen Antireflexionsbelag, um alle elektromagnetische Wellenenergie zu absorbieren, welche beispielsweise durch ein Spiegeln der Faraday-Rotatorscheibe 165 auf den Absorber geworfen wird. Der Absorber 191 wird durch einen Federring 193 an seinem Platz gehalten, wobei der Federring durch Reibung an der" Innenwand der Öffnung 181 festsitzt. Man erkennt, daß die bisher beschriebenen Teile eine Anordnung bilden, welche durch den Federring 193 auf der rechten Seite des Absatzes 166 festgehalten wird, wobei die Feder 175 eine ausreichende Kraft in Längsrichtung ausübt, um sämtliche Bauteile in dichter Anlage aneinander an ihrem Platz zu halten. Auf der anderen Seite des Absatzes 166 befindet sich eine ähnliche Anordnung von Elementen, jedoch mit Ausnahme der Faraday-Rotatorscheibe 165 und der Magnetanordnung 188. Der Federring 192 bildet eine Abstützung für einen zweiten Absorber 190. Eine Feder 174, welche sich mit einem Ende an der linken Seite des Ab-Faraday rotator disk 165 is then located at one end of the the pair of magnets consisting of the two magnets. A longitudinally oriented magnetic rock is generated in the disk, yes If this field weakens rapidly as it progresses a short distance away from the disk or the magnet. The advantage is in the present embodiment that essentially no stray magnetic field is generated, which in the Gaseous discharge area reaches into it and there, due to the Zeeman effect, undesired oscillation states or a frequency offset could cause. It is also possible to use a single magnet to generate the required magnetic field in the Faraday rotator disc. The permanent magnet arrangement can also be replaced by a few turns of wire in order to pass an electric current through it, which Ability to generate magnetic field in the Faraday rotator disk 165. A spring 175 presses against the magnet assembly 188. On the on the other side, the spring 175 is supported against the edge of a hollow cylindrical spacer sleeve 197, which in turn is partially is supported on one side of a hollow cylindrical absorber 191. The latter is made of a suitable material such as black Made of glass and has an anti-reflective coating to absorb all electromagnetic wave energy, which for example by mirroring the Faraday rotator disk 165 onto the absorber. The absorber 191 is held in place by a spring ring 193, the spring ring is stuck by friction on the "inner wall of the opening 181. It can be seen that the parts described so far form an arrangement, which is held by the spring ring 193 on the right side of the shoulder 166, the spring 175 a sufficient Exerts force in the longitudinal direction to keep all components in close contact with one another in place. On the on the other side of shoulder 166 is a similar arrangement of elements except for the Faraday rotator disk 165 and the magnet arrangement 188. The spring ring 192 forms a support for a second absorber 190. A spring 174, which has one end on the left side of the
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Satzes 166 abstützt, drückt gegen eine weitere Abstandshalter-Set 166, presses against another spacer
hülse 190 und hält so sämtliche Bauteile auf der linken Seite des Absatzes 166 in einer vorbestimmten Lage«sleeve 190 and thus holds all components on the left side of paragraph 166 in a predetermined position "
Die Halterung 154 für den Rotator wird in dem Block durch eine Schraubenfeder oder Spiralfeder 199 gegen einen Absatz gedrückt, welcher durch die Änderung des Durchmessers der Kanalabschnitte 112 und 113 gebildet ist. Der Teil mit den Windungen kleineren Durchmessers der Feder 199 stützt sich gegen den Körper der Halterung 154 ab, während die Windungen größeren Durchmessers am anderen Ende der Feder sich in Umfangsrichtung auszudehen suchen und reibend an der Innenwand des Kanalabschnittes oder der Bohrung 113 anliegen. Die Anordnung der Bauteile des Faraday-Rotators 156 garantiert für thermische Stabilität, da die optischen Elemente elastisch in Anlage an einem Körpor aus einem thermisch stabilen Werkstoff gehalten werden, welcher für den Block 102 vorgesehen ist.The bracket 154 for the rotator is pressed in the block by a helical spring or spiral spring 199 against a shoulder, which by changing the diameter of the duct sections 112 and 113 is formed. The part with the coils of smaller diameter of the spring 199 is supported against the body of the bracket 154 while the larger diameter turns at the other end of the spring try to expand in the circumferential direction and rubbing against the inner wall of the channel section or the Bore 113 are in contact. The arrangement of the components of the Faraday rotator 156 guarantees thermal stability because the optical Elements are held elastically in contact with a body made of a thermally stable material, which for the Block 102 is provided.
Wie zuvor erwähnt, sind die Achsen der Bohrungsabschnitte in der Halterung 154 unter einem Winkel gegenüber der Längsachse der Halterung 154 geneigt und die Ebene der Faraday-Rotatorscheibe 165 ist ebenfalls gegenüber der Achse der Halterung 154 schiefgestellt. Dies trägt zu einer Verminderung oder Beseitigung der Kopplung zwischen den entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen bei, da etwaige Reflexionen von den beiden Oberflächen der Faraday-Rotatorscheibe 165 weg nun ausgeleitet werden und von den beiden aus schwarzem Glas gefertigten Absorbern absorbiert werden. Wellen, welche sich mit Bezug auf die Darstellung von Figur 6 in dem Rotator von links nach rechts ausbreiten, werden, wenn sie an der Faraday-Rotatorscheibe 165 eine Reflexion erfahren, von dem unteren Teil des Absorbers 190 aufgefangen und absorbiert, während Wellen, die sich in der entgegengesetzten Richtung ausbreiten, bei Reflexion an der Scheibe 165 von dem oberen Teil des Absorbers 191 abgefangen und absorbiert werden. Die beiden Absorber 190 und 191 und die Faraday-Rotatorscheibe 165 sind außerdem mit einem Antireflexionsbelag be-As previously mentioned, the axes of the bore sections in bracket 154 are at an angle to the longitudinal axis of FIG Bracket 154 is inclined and the plane of the Faraday rotator disk 165 is also inclined with respect to the axis of the bracket 154. This contributes to a decrease or elimination of the Coupling between the waves rotating in opposite directions to each other, since there are any reflections from the two surfaces the Faraday rotator disk 165 are now diverted away and absorbed by the two absorbers made of black glass will. Waves which, with reference to the representation of FIG. 6, propagate in the rotator from left to right, when they experience a reflection at the Faraday rotator disk 165, are collected by the lower part of the absorber 190 and absorbs, while waves propagating in the opposite direction, upon reflection from disk 165 be caught and absorbed by the upper part of the absorber 191. The two absorbers 190 and 191 and the Faraday rotator disk 165 are also covered with an anti-reflective coating
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3U1175 ': γ-. .-;. . ■■;; ".3U1175 ': γ-. .- ;. . ■■ ;; ".
schichtet, um die Reflexionen weiter zu vermindern.layers to further reduce reflections.
Neben der Frequenzaufspaltung zwischen den sich im Uhrzeigersinn und den sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitenden Wellenstrahlen erfüllt der Faraday-Rotator 156 eine weitere Funktion. Wegen der genauen Passung der Teile im Bereich des Absatzes 166 blockiert der Faraday-Rotator 156 eine Längsströmung von Gas durch den Kanal 122. Nachdem in dem in sich geschlossenen Ausbreitungsweg keine resultierende Gaszirkulation auftreten kann, wird die Möglichkeit einer Zirkulation von Streupartikeln, welche von dem Gas mitgeführt werden, wesentlich herabgesetzt, ebenso wie Drifterscheinungen aufgrund des Fresnel-Fizeau-Effektes.Besides the frequency split between the clockwise and the counterclockwise propagating wave beams, the Faraday rotator 156 fulfills a further function. Because of the Exact fit of the parts in the area of the shoulder 166, the Faraday rotator 156 blocks a longitudinal flow of gas through the Channel 122. Since no resulting gas circulation can occur in the self-contained path of propagation, the possibility becomes a circulation of stray particles, which are entrained by the gas, is significantly reduced, as well as Drift phenomena due to the Fresnel-Fizeau effect.
Es sei nun wiederum auf die Figuren 1, 3 und 4 Bezuq genommen. Man erkennt, daß für die Wellenstrahlen, welche auf den teildurchlässigen Spiegel an der Fläche 122 treffen, ein kleiner Einfallswinkel gewählt ist. Die Wellenstrahlen, welche in den Kanälen 108, 110, 112 und 114 sich ausbreiten, sind zirkularpolarisiert. Je näher zum Lot einer dieser Wellenstrahlen auf eine reflektierende Fläche eines Spiegels oder eine andere Fläche trifft, desto besser zirkulär ist die Polarisation des durch die Spiegelfläche hindurch übertragenen Wellenstrahls. Wenn sich der Einfallswinkel vom Lot entfernt, beginnen die teilweise übertragenen Strahlen eine elliptische Polarisation anzunehmen.It is now again referred to FIGS. 1, 3 and 4. It can be seen that for the wave rays, which on the partially transparent Meet the mirror at the surface 122, a small angle of incidence is chosen. The wave rays, which in the Spreading channels 108, 110, 112 and 114 are circularly polarized. The closer to the perpendicular one of these wave beams to one reflective surface of a mirror or other surface hits, the better circular the polarization of the wave beam transmitted through the mirror surface. If the angle of incidence away from the perpendicular, begin the partially transferred Rays adopt an elliptical polarization.
Wie in der US-Patentschrift 4 141 651 ausgeführt ist, ergibt sich dann, wenn die Wellenstrahlen in der Ausgangsoptik und den Detektoreinrichtungen vollständig zirkularpolarisiert sind, im wesentlichen keine unerwünschte Überkopplung und Interferenz zwischen den Wellenstrahlen mit den beiden oberen Frequenzen und den Wellenstrahlen mit den beiden unteren Frequenzen innerhalb der Detektoreinrichtung. Wenn sich der Grad der Ellip izität erhöht, wird die Überkopplung oder gegenseitige Beeinflussung deutlich und erscheint als eine Amplitudenmodulation auf den Ausgangssignalen der Detektordioden 145 und 146. Wie oben gesagt, hat es sich gezeigt, daß der Grad der unerwünschtenAs set out in US Pat. No. 4,141,651, results when the wave beams in the output optics and the detector devices are completely circularly polarized, im essentially no unwanted cross-coupling and interference between the wave beams with the two upper frequencies and the wave beams with the two lower frequencies within the detector device. When the degree of ellipticity increased, the overcoupling or mutual influence becomes clear and appears as an amplitude modulation the output signals of the detector diodes 145 and 146. As stated above, it has been found that the degree of undesirable
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; Überkopplung oder gegenseitigen Störung eine nichtlineare, mono- ,
■ ton wachsende Funktion des Grades der Elliptizität ist. Es wurde ■
gefunden, daß die gegenseitige Kopplung oder Störung verhältnis- , mäßig gering für Einfallswinkel unter annähernd 15° ist* Der Grad '
! der Überkopplung nimmt jedoch bei größer werdenden Werten dieses '
Einfallswinkels ganz rasch zu. Die Überkopplung in der Ausgangs- '
optik kann durch einen geeigneten Polarisationsfilter beseitigt werden, doch nimmt die zur Verfügung stehende gefilterte Leistung
ab, wenn die Überkopplung ohne Filterung zunimmt. Wenn der F,infallswinkel
der Wellenstrahlen auf den Ausgangsspiegel zunimmt, so nimmt die Leistung, welche an den Detektordioden für jeden
Wellenstrahl zur Verfugung steht, ab. Eine errechnete Kurve des
Leistungsverminderungsfaktors, nämlich des Verhältnisses der an den Detektordioden bei einem bestimmten Einfallswinkel zur Verfügung stehenden Leistung zur Leistung, welche bei demselben Wellenstrahl
und lotrechtem Einfall auf der Spiegelfläche zur Verfugung
stünde, ist in Figur 7 gezeigt und beschreibt das Verhalten der Ausgangseinrichtungen etwa nach der US-Patentschrift
4 141 651. Wie aus Figur 7 ohne weiteres zu erkennen ist, fällt
der Leistungsreduktionsfaktor für Einfallswinkel von über etwa
15° rasch ab. Gemäß dem hier angegebenen Konstruktionsprinzip
wird daher der Einfallswinkel der Wellenstrahlen in den Kanälen
108 und 110 auf dem teildurchlässigen Spiegel an der Fläche 122
zu 15° oder darunter gewählt. Anders ausgedrückt beträgt der
Winkel zwischen den Kanälen 108 und 110 30° oder weniger.; Overcoupling or mutual interference is a nonlinear, mono-, ■ ton increasing function of the degree of ellipticity. It has been found that the mutual coupling or interference is relatively, moderately small for angles of incidence below approximately 15 ° * The degree ' ! however, the overcoupling increases very quickly with increasing values of this angle of incidence. The cross-coupling in the output optics can be eliminated by a suitable polarization filter, but the available filtered power decreases if the cross-coupling increases without filtering. As the angle of incidence of the wave rays on the output mirror increases, so does the power applied to the detector diodes for each
Wave beam is available. A calculated curve of the power reduction factor, namely the ratio of the power available at the detector diodes at a certain angle of incidence to the power that would be available with the same wave beam and perpendicular incidence on the mirror surface, is shown in Figure 7 and describes the behavior of the output devices according to the US patent
4 141 651. As can be readily seen from FIG. 7, the power reduction factor falls for angles of incidence greater than approximately
15 ° quickly. According to the construction principle given here
Therefore, the angle of incidence of the wave rays in the channels 108 and 110 on the partially transparent mirror at the surface 122 is selected to be 15 ° or less. In other words, the is
Angle between channels 108 and 110 is 30 degrees or less.
Beim Betrieb des Laserkreisels ist es zweckmäßig, wenn die Wellen mit den vier Frequenzen symmetrisch zum Scheitel der Verstärkungsgradkurve liegen. Zu diesem Zwecke ist ein piezoelektrischer
Wandler 160 vorgesehen, welcher mechanisch die Lage
des Spiegels an der Fläche 128 einstellt, so daß die Gesamtweglänge
innerhalb des Resonanzraumes des Blockes 102 eingestellt
wird, um die vier Frequenzen in der gewünschten Weise auf die
Mitte der Verstärkungsgradkurve auszurichten. Die zur Reqelung
der optischen Weglänge dienende Einrichtung 320 leitet ein Signal für die Betätigung des piezoelektrischen Wandlers 160 von
When operating the laser gyro, it is useful if the waves with the four frequencies are symmetrical to the apex of the gain curve. For this purpose, a piezoelectric transducer 160 is provided, which mechanically adjusts the position
of the mirror at the surface 128, so that the total path length within the resonance space of the block 102 is set
is to adjust the four frequencies in the desired way to the
Align the center of the gain curve. The one for reqelung
the optical path length serving device 320 conducts a signal for actuation of the piezoelectric transducer 160 from
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den Detektordioden 145 und 146 ab. Diese Signale besitzen eine Amplitude in Relation zu den Gesamtamplituden der entsprechenden ^ fi und ^s1 f^-Signale. Die Regeleinrichtung 320 erzeugt ein Signal entsprechend der Differenz zwischen diesen beiden Signalen mit der in der angegebenen Weise abhängigen Amplitude. Das Ausgangsdifferenzsignal besitzt selbstverständlich die Amplitude Null, wenn die Wellen mit den vier Frequenzen richtig auf die Mitte der Verstärkungsgradkurve symmetriert sind. Das Ausgangs-Differenzsignal hat die eine Polarität, wenn sich die vier Wellen mit ihrer Frequenz relativ zum Kurvenscheitel in der einen Richtung verschieben und die entgegengesetzte Polarität, wenn die Wellen mit ihrer Frequenz in der anderen Richtung verschoben sind. Die mittleren Amplitudensignale können durch an sich bekannte Schaltungen erzeugt werden, deren Ausgang mit den Eingangsleitungen des piezoelektrischen Wandlers 160 verbunden ist. the detector diodes 145 and 146 from. These signals have an amplitude in relation to the total amplitudes of the corresponding ^ fi and ^ s 1 f ^ signals. The control device 320 generates a signal corresponding to the difference between these two signals with the amplitude that is dependent in the specified manner. The output difference signal will of course have zero amplitude if the waves at the four frequencies are properly balanced about the center of the gain curve. The output difference signal has one polarity when the four waves with their frequency shift in one direction relative to the apex of the curve and the opposite polarity when the waves with their frequency are shifted in the other direction. The mean amplitude signals can be generated by circuits known per se, the output of which is connected to the input lines of the piezoelectric transducer 160.
Wie weiterhin aus den Figuren- 1, 3 und 4 zu ersehen ist, sind die Elektroden zur Anregung des gasförmigen Verstärkermediums oder Lasermediums in dem Kanal 108 gelegen. Vorzugsweise ist eine mittlere Kathodenelektrode 22 mit der negativen Klemme einer äußeren, geregelten Spannungsquelle 310 verbunden, während die Anodenelektroden 32 und 42 mit der positiven Klemme dieser Spannungsquelle Verbindung haben. Die Kathodenelektrode 22 hat die Gestalt eines kurzen Hohlzylinders, welcher auf der von dem Block 102 abliegenden Seite von einer hohlen metallischen Halbkugel überdeckt ist. Die Elektrode ist in an sich bekannter Weise an der die Bohrung oder Öffnung 20 enthaltenden Fläche des Blockes 102 befestigt. Die Anodenelektroden 32 und 42 besitzen die Gestalt von Metallstiften, welche in Elektrodenöffnungen 30 und 40 hineinragen. Aufgrund dieser Anordnung fließt der Elektronenstrom in zwei zueinander entgegengesetzten Richtungen nach auswärts zu den Anodenelektroden 32 und 42. Da ein Wellenstrahl die Kanalabschnitte, in denen die Elekroden gelegen sind, jeweils unter Durchquerung gleicher Längen von Strompfaden mit Stromfluß in entgegengesetzter Richtung durchläuft, werden die Verschie— bungseffekte an dem Wellenstrahl aufgrund eines ungleichenAs can also be seen from Figures 1, 3 and 4, are the electrodes for exciting the gaseous amplifier medium or laser medium are located in the channel 108. Preferably is a central cathode electrode 22 connected to the negative terminal of an external, regulated voltage source 310, while the anode electrodes 32 and 42 are connected to the positive terminal of this voltage source. The cathode electrode 22 has the shape of a short hollow cylinder, which on the side remote from the block 102 of a hollow metallic hemisphere is covered. The electrode is in a manner known per se on the surface containing the bore or opening 20 Block 102 attached. The anode electrodes 32 and 42 are in the form of metal pins which are inserted into electrode openings 30 and 40 protrude. Due to this arrangement, the electron current flows in two opposite directions outward to the anode electrodes 32 and 42. As a wave beam passes the channel portions in which the electrodes are located, respectively traversing the same lengths of current paths with current flow in the opposite direction, the shifts are Exercise effects on the wave beam due to an unequal
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Stromflusses durch das gasförmige Verstärkermedium im wesentlichen ausgeschaltet ο Aufgrund von Herstellungstoleranzen bezüglich der Anordnung der verschiedenen Elektroden kann es jedoch vorkommen, daß die Abstände zwischen der negativen Elektrode und jCurrent flow through the gaseous amplifier medium essentially switched off ο Due to manufacturing tolerances with regard to the arrangement of the various electrodes, however it happens that the distances between the negative electrode and j
i den beiden positiven Elektroden in den beiden Kanalabschnitten 'i the two positive electrodes in the two channel sections'
nicht ganz genau gleich sind. Um diese Unsymmetrie auszugleichen, sind die Änordenelektroden 32 und 42 an zwei unabhängig voneinan- ] der einstellbare positive Anschlüsse der Stromquelle 310 gelegt, { so daß der Stromfluß zwischen den Anodenelektroden und der be- ! nachbarten Kaihodenelektrode ungleich eingestellt werden kann und ungleiche Versehiebungseffekte ausgeglichen werden können»are not exactly the same. To compensate for this asymmetry, the Änordenelektroden 32 and 42 from each other placed on two independently], the adjustable positive terminals of the power source 310 {so that the current flow between the anode electrodes and the loading! neighboring diaphragm electrodes can be set unevenly and unequal displacement effects can be compensated »
Das gasförmige Verstärkermedium, welches die Kanäle 108, 110, 112 und 114 erfüllt, wird durch eine Gasfüllungsöffnung 106 von einer äußeren Gasquelle her zugeführt. Eine Gasmischung von 3He,20Ne und 22Ne im Verhältnis von 8:0,53:0,47 ist zu bevorzugen. Sind sämtliche Kanäle gefüllt, so wird ein Verschluß 107 auf die Öffnung 106 gesetzt, um das Gas für den Betrieb des Laserkreisels einzuschließen*The gaseous gain medium, which fills the channels 108, 110, 112 and 114, is supplied through a gas filling opening 106 from an external gas source. A gas mixture of 3 He, 20 Ne and 22 Ne in the ratio of 8: 0.53: 0.47 is preferable. When all the channels are filled, a closure 107 is placed on the opening 106 in order to lock in the gas for the operation of the laser gyro *
Einzelheiten des Aufbaus des T.aserkreisels im Bereich einer der Anodenelektroden sind aus der Querschnittsdarstellung von Figur 5 zu entnehmen. Die metallische Anodenelektrode 32 wird durch eine Elektrodendurchführung 33 gehalten und steht in die Elektroden- . öffnung 30 hinein. Die Anodenelektrode 32 erstreckt sich etwas weiter als über die Hälfte des Weges von der Oberfläche des Blockes 102 bis zum Kanal 108. Die Elektrodenöffnung 30 trifft auf den Kanal 108 vorzugsweise im rechten Winkel. In diejenige Fläche des Blockes 102, auf welche die Ausgangsoptik 144 aufgesetzt ist, ist eine Ausgangskammer 118 eingeformt. Die Ausgangskammer . 118 hat zylindrische Gestalt und einen Durchmesser, welcher min-, destens doppelt so groß ist wie derjenige des Kanales 108. Die Ausgangskammer 118 und der Kanal 108 sind zueinander koaxial. Da sich der Kanal 108 etwas über die Elektrodenöffnung 30 hinaus erstreckt, bevor er auf die Ausgangskammer 118 trifft, wird zwischen der Elektrodenöffnung 30 und der Ausgangskammer 18 eineDetails of the structure of the T.aserkreisel in the area of one of the Anode electrodes can be seen from the cross-sectional view of FIG. The metallic anode electrode 32 is through a Electrode bushing 33 held and stands in the electrode. opening 30 inside. The anode electrode 32 extends somewhat farther than about half the way from the surface of the block 102 to the channel 108. The electrode opening 30 hits the channel 108 preferably at right angles. In that area of the block 102 on which the output optics 144 are placed is, an exit chamber 118 is formed. The exit chamber. 118 has a cylindrical shape and a diameter which is min-, is at least twice as large as that of the channel 108. The Exit chamber 118 and channel 108 are coaxial with one another. Since the channel 108 extends somewhat beyond the electrode opening 30 extends before it meets the exit chamber 118 is between the electrode opening 30 and the exit chamber 18 a
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! Ablenkwand oder eine Schutzwand 130 gebildet. Eine ähnliche Aus- ,! Deflection wall or a protective wall 130 is formed. A similar training
j bildung ist auf der Seite der Anodenelektrode 42, der Elektro- j ! denöffnung 40, der Elektrodendurchführung 43 und der zugehörigen j Ausgangskammer 119 gewählt.j formation is on the side of the anode electrode 42, the electrode j ! den opening 40, the electrode leadthrough 43 and the associated j Exit chamber 119 selected.
Bei bisher bekannten Einrichtungen war keine Schutzwand oder Ablenkwand nach der Art des Teiles 130 vorgesehen. Die Ausgangskammer erstreckte sich unmittelbar von der Elektrodenöffnung bis zur Oberfläche des den Laserkreisel enthaltenden Blockes. Wenn die Elektroden angeregt wurden, so konnten Staub oder andere störende Partikel, welche beispielsweise durch Ionenbombardement und durch eine Abtragung des Materials des Blockes freigesetzt wurden, sich rund um die Verschneidung der Elektrodenöffnung und der Kanäle für die Wellenausbreitung sammeln. Die schwebenden Partikel wirkten als Streuzentren und erhöhten die optischen Verluste im System. Im Gegensatz hierzu wurde bei einem Laserkreisel der vorliegend angegebenen Art gefunden, daß Staub und andere unerwünschte Partikel sich aufgrund der beschriebenen Ausbildung nicht schwebend im Bereich der Verschneidung der Elektrodenöffnungen 30 und 40 und des Kanals 108 aufhalten. Eine mögliche Quelle von Drifterscheinungen ist so ausgeschaltet.In previously known devices, no protective wall or deflecting wall of the type of part 130 was provided. The exit chamber extended directly from the electrode opening to the surface of the block containing the laser gyro. When the electrodes were excited, dust or other interfering particles, which were released, for example, by ion bombardment and by erosion of the material of the block, could collect around the intersection of the electrode opening and the channels for the wave propagation. The floating particles acted as scattering centers and increased the optical losses in the system. In contrast to this, it was found in a laser gyro of the type specified here that dust and other undesirable particles are not floating in the area of the intersection of the electrode openings 30 and 40 and the channel 108 due to the design described. A possible source of drift phenomena is thus eliminated.
Wie oben beschrieben wurde, können durch Aufrechterhaltung einer guten zirkulären Polarisation bei dem hier angegebenen Laserkreisel alle bekannten Quellen für große Driftwerte beseitigt werden. Es existiert jedoch eine zusätzliche Quelle, welche kleinere Größen der Drift beiträgt, welche kompensiert werden müssen, wenn der Laserkreisel in Systemen verwendet werden soll, welche hohen Anforderungen genügen müssen. Diese verbleibende Drift beruht auf Dispersion, nämlich einem frequenzabhängigen Brechungsindex in Zuordnung zum Verstärkungsfaktor des verwendeten Lasermediums. Für ein Helium-Neon-Verstärkermedium hat die Verstärkungsgradkurve im wesentlichen die Gestalt einer Gaus'sehen Kurve aufgrund einer Dopplerverbreiterung. Die Dispersionskurve kann als Sigmoid bezeichnet werden. Die Dispersionskurve gibt den Grad der optischen Phasenverschiebung an, die eine Welle einerAs described above, by maintaining a good circular polarization with the laser gyro specified here all known sources for large drift values are eliminated. However, there is an additional source, which is a smaller one Drift contributes which must be compensated if the laser gyro is to be used in systems, which high requirements have to meet. This remaining drift is based on dispersion, namely a frequency-dependent one Refractive index in relation to the amplification factor of the used Laser medium. For a helium-neon gain medium, the gain curve is essentially Gaussian Curve due to a Doppler broadening. The dispersion curve can be called a sigmoid. The dispersion curve gives the Degree of optical phase shift that a wave of a
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bestimmten Frequenz aufgrund des Vorhandenseins eines Verstärkermediums erleidet« Wie aus Figur 8B zu ersehen ist, erfahren Frequenzen unterhalb der Mittenfrequenz fc eine Phasenverschiebung entgegengesetzt zu derjenigen von Frequenzen oberhalb der Mitten-certain frequency due to the presence of an amplifier medium. As can be seen from Figure 8B, frequencies below the center frequency f c experience a phase shift opposite to that of frequencies above the center frequency.
frequenz f c , was dazu führt, daß sämtliche Wellen in Richtung auf! die Mittellinie verschoben werden. Dies ist ein Schwingungsmodus-Mitnahmeeffekt= Da die Dispersionskurve nichtlinear ist, liegen die vier Wellen eines Differential-Laserkreisels an Punkten mit unterschiedlichen Dispersionswerten der Kurve und es ergeben sich,; wie aus Figur 8B zu ersehen ist, unterschiedliche Werte der Pha- ! senverschiebung. §^ ist die Phasenverschiebung für die Frequenz f-^ , ^2 entspricht der Frequenz f2 ,■ ^3 entspricht der Frequenz f-j und ψ^ gehört zu der Frequenz f^. Wenn die Differenz J^ - 0^ betragsmäßig verschieden von der Differenz §^ - ^3 ist, so ergibt sich bei Stillstand ein von Null verschiedener Differentialausgang, welcher von der Gestalt der Dispersionskurve abhängig ist, die ihrerseits von vielen Faktoren abhängt, beispielsweise von Temperatur, Verstärkungsgrad und Druck. Wenn sich einer dieser Faktoren ändert, so ergibt sich durch diese Änderung eine Verschiebung der vier Wellen über die Dispersionskurve hin, welche aufgrund ihres nichtlinearen Charakters, eine Änderung des Differentialausgangs bewirkt. Der Laserkreisel weist somit eine Drift seiner Ausgangsfrequenz auf, welche sich entsprechend einer Vielzahl von Faktoren verändert.frequency f c , which means that all waves in the direction of! the center line can be moved. This is an oscillation mode entrainment effect = Since the dispersion curve is non-linear, the four waves of a differential laser gyro lie at points with different dispersion values on the curve and the result is :; as can be seen from Figure 8B, different values of the Pha- ! sen shift. § ^ is the phase shift for the frequency f- ^, ^ 2 corresponds to the frequency f2 , ■ ^ 3 corresponds to the frequency fj and ψ ^ belongs to the frequency f ^. If the difference J ^ - 0 ^ differs in amount from the difference § ^ - ^ 3, then at standstill there is a differential output different from zero, which depends on the shape of the dispersion curve, which in turn depends on many factors, for example temperature , Gain and pressure. If one of these factors changes, this change results in a shift of the four waves across the dispersion curve which, due to its non-linear character, causes a change in the differential output. The laser gyro thus has a drift in its output frequency which changes according to a large number of factors.
Das hier angegebene Ringlasersystem nutzt den Zeeman-Effekt aus, um die Drift aufgrund der Dispersion des Verstärkermediums zu beseitigen. Der Zeeman-Effekt betrifft die Aufspaltung der Spektrallinien eines gasförmigen Lasermediums in zwei oder mehrere Komponenten. Diese Frequenzaufspaltung resultiert in einer Aufspaltung der Verstärkungsgradkurve und der entsprechenden Dispersionskurve. Der physikalische Vorgang ist das quantenmechanische Phänomen, gemäß welchem ein Magnetfeld die atomaren Ener- ■ gieniveaus in mehrere Zustände aufspaltet, welche unterschiedliche Energien besitzen und welche mit Wellen eines bestimmten zirkulären Polarisationszustanden in Wechselwirkung treten. Dies istThe ring laser system specified here uses the Zeeman effect, to increase the drift due to the dispersion of the gain medium remove. The Zeeman effect concerns the splitting of the spectral lines a gaseous laser medium into two or more components. This frequency split results in a split the gain curve and the corresponding dispersion curve. The physical process is the quantum mechanical Phenomenon according to which a magnetic field generates atomic energies splits energy levels into several states, which are different Energies possess and which with waves of a certain circular Polarization states interact. This is
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in Figur 9 gezeigt, in welcher auf der linken Seite des Energiediagramms ein typisches Energieniveaubild in Abwesenheit eines j magnetischen Feldes gezeigt ist. In diesem Falle ist die Strah- i lungsfrequenz fQ = (E2~E-. )/h, worin E2 und E-. die beiden Energie- j ! niveaus sind und h das Planck1sehe Wirkungsquantum ist. Auf der ', rechten Seite des Diagramms von Figur 9 ist gezeigt, in welcherin FIG. 9, in which a typical energy level image in the absence of a magnetic field is shown on the left-hand side of the energy diagram. In this case, the radiation frequency f Q = (E2 ~ E-.) / H, where E2 and E-. the two energy j! levels are and h is the quantum of action see Planck 1. On the ', right-hand side of the diagram of FIG. 9 it is shown in which
Weise die Energieniveaus sich in Gegenwart eines magnetischen ' Feldes aufspalten. Die Linien 242 verdeutlichen die übergängeWise the energy levels split in the presence of a magnetic 'field. The lines 242 illustrate the transitions
zwischen den Energieniveaus entsprechend y^ m =+1, welche in einer Gruppe von Strahlungsfrequenzen resultieren, beispielsweise der Mittenfrequenz der aufgespaltenen Dispersionslinie 260, nämlich f+=f -gBH/h. Die Linien 244 zeigen die Übergänge zwischen den Energieniveaus entsprechend ^v^ m=—1, welche die andere Gruppe von Strahlungsfrequenzen ergeben, beispielsweise die Mittenfrequenz für die Aufspaltungsdispersionslinie 250, nämlich f_=fQ+gBH/h worin G das gyromagnetische Verhältnis oder das Lande-G-Verhältnis, B das Bohr'sehe Magnetron und h das Planck'sehe Wirkungsquantum bedeuten. Die vier umlaufenden Wellen haben unterschiedliche Werte der Änderung /\ m der magnetischen Ouantenzahl m des Neonatoms entsprechen folgender Tabelle:between the energy levels corresponding to y ^ m = + 1, which result in a group of radiation frequencies, for example the center frequency of the split dispersion line 260, namely f + = f -gBH / h. The lines 244 show the transitions between the energy levels corresponding to ^ v ^ m = -1, which give the other group of radiation frequencies, for example the center frequency for the splitting dispersion line 250, namely f_ = f Q + gBH / h where G is the gyromagnetic ratio or the Lande-G-ratio, B the Bohr's magnetron and h the Planck's quantum of action. The four rotating waves have different values of the change / \ m in the magnetic quantum number m of the neon atom according to the following table:
Welle Nr. Umlaufrichtung Polarisationssinn ^/\ mWave no. Direction of rotation Sense of polarization ^ / \ m
1 Uhrzeigersinn LCP +11 clockwise LCP +1
2 Gegenuhrzeigersinn LCP -12 counterclockwise LCP -1
3 Gegenuhrzeigersinn RCP +13 Counterclockwise RCP +1
4 Uhrzeigersinn RCP -14 clockwise RCP -1
Der Zeeman-Effekt ist sowohl von der Polarisation als auch von der Umlaufrichtung abhängig. Der Grund hierfür ist, daß der Richtungssinn der Drehung des elektrischen Feldvektors der Lichtwelle, wie er im magnetischen Feld gemessen wird, eine Wechselwirkung mit dem Spin der Elektronen zeiqt, deren Energieniveaus durch das Feld aufgespalten werden. Demgemäß tritt eine der resultierenden Dispersionslinien mit einer rechtszirkularpolarisierten Kelle, welche sich in einer Richtung parallel zur Richtung des Magnet-The Zeeman effect is of both polarization and of depending on the direction of rotation. The reason for this is that the sense of direction of the rotation of the electric field vector of the light wave, as measured in a magnetic field, shows an interaction with the spin of the electrons, whose energy levels are determined by the Field to be split. Accordingly, one of the resulting dispersion lines occurs with a right circularly polarized trowel, which extends in a direction parallel to the direction of the magnet
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feldes ausbreitet und mit einer linkszirkularpolarisierten Welle in Wechselwirkung,, welche sich antiparallel, θ. h»* in einer Richtung entgegengesetzt zu derjenigen des magnetischen Feldes ausbreitet, während die andere Dispersionslinie mit einer rechtszirkularpolarisierten Welle, die sich in einer Richtung antiparallel zum magnetischen Feldvektor ausbreitet und einer 1inks zirkulärpo-field and with a left circularly polarized wave in interaction, which is antiparallel, θ. h »* in one direction propagates opposite to that of the magnetic field, while the other line of dispersion has a right-hand circularly polarized wave that is anti-parallel in one direction spreads to the magnetic field vector and a left circular polar
iritt
larisierten Welle in Wechselwirkung/, die sich in einer Richtung
gleich derjenigen des magnetischen Feldes ausbreitet,, iritt
larized wave in interaction / propagating in a direction equal to that of the magnetic field,
Da die Werte von /\^ m verschiedenen Atomübergängen entsprechen, werden diese Übergänge durch den Zeeman-Effekt um einen Betrag aufgespalten, welcher gleich 2gBH/h ist. In Figur 8C ist nun ein Diamgramm der Aufspaltungsdispersionskurven und der entsprechenden Phasenverschiebungen für die vier Wellen des Laserkreisels gezeigt. Ist das magnetische Feld H so, daß die für /\ m=+l geltende Linie in der Frequenz niedriger liegt als die für j^ m=-l geltende Linie, wobei die Differenz in Figur 8C bei 280 eingezeichnet ist und ^-i~^-\ beträgt, so erkennt man, daß die mit 270 und 272 bezeichneten Pfeile gleiche Länge haben, was bedeutet, daß die Größe der Phasenverschiebung, welche den Wellen mit den Frequenzen f-, und f2 mitgeteilt wird, gleich ist. In ent- . sprechender Weise haben die Linien 274 und 276 gleiche Länge, was bedeutet, daß die Frequenzen f^ und f^ eine jeweils gleichgroße Phasenverschiebung erhalten haben. Man sieht daraus, daß bei einer Verschiebung der vier Frequenzen über die Dispersionskurve hin oder bei einer Veränderung der Dispersionskurve, etwa aufgrund von Temperaturänderungen, die Dispersion der Welle 1 stets gleich derjenigen der Welle 2 bleibt und die Dispersion der Welle 3 in entsprechender Weise gleich derjenigen der Welle 4 bleibt. Wenn also die äußeren Bedingungen kleine Änderungen in den Betriebsfrequenzen verursachen, bleibt die resultierende Differenz des Differentialausganges gleich. Zur Beseitigung der Dispersionsdrift muß das magnetische Feld zur Erzeugung des Zeeman-Effektes folgendem Ausdruck genügen:Since the values of / \ ^ m correspond to different atomic transitions, these transitions are split up by the Zeeman effect by an amount which is equal to 2gBH / h. FIG. 8C now shows a diamogram of the splitting dispersion curves and the corresponding phase shifts for the four waves of the laser gyro. If the magnetic field H is such that the line valid for / \ m = + l is lower in frequency than the line valid for j ^ m = -l, the difference being drawn in FIG. 8C at 280 and ^ -i ~ ^ - \ , it can be seen that the arrows labeled 270 and 272 have the same length, which means that the magnitude of the phase shift, which is communicated to the waves with the frequencies f- and f2, is the same. In ent-. In other words, the lines 274 and 276 have the same length, which means that the frequencies f ^ and f ^ have each received an equal phase shift. It can be seen from this that when the four frequencies are shifted beyond the dispersion curve or when the dispersion curve changes, for example due to temperature changes, the dispersion of wave 1 always remains the same as that of wave 2 and the dispersion of wave 3 correspondingly remains the same of wave 4 remains. So if the external conditions cause small changes in the operating frequencies, the resulting difference in differential output will remain the same. To eliminate the dispersion drift, the magnetic field for generating the Zeeman effect must satisfy the following expression:
Faraday-Vorspannung = 2gBH/h=(3,64 MHz/Gauss)H. Hierdurch erhält man einen Laserkreisel, welcher eine Stabilität der Ausgangs-Faraday bias = 2gBH / h = (3.64 MHz / Gauss) H. This gets a laser gyro, which ensures the stability of the output
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frequenz in der Größenordnung von weit unter einem Hz ermöglicht. frequency in the order of magnitude of well below one Hz allows.
Es sei nun auf die Figuren 1 bis 4 wiederum Bezug genommen. Man erkennt, daß gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel das magnetische Feld zur Erzeugung der Zeeman-Aufspaltung der Dispersionskurven durch Spulen erhalten wird, welche denjenigen Kanal umschlingen, in welchem sich das Lasermedium befindet. In den Block 102 sind Bohrungen eingebracht, um Kanäle 200, 210, und 230 zu schaffen, welche zur Aufnahme der Spulen dienen. Die Spulen 202 und 212 liegen auf einer Seite der Kathodenelektrode 22, während die Spulen 222 und 232 auf der anderen Seite der Kathode 22 gelegen sind, um eine Zeeman-Aufspaltung über den gesamten Laserabschnitt des Ausbreitungswege? erreichen zu können. Es werden vier Spulen vorgesehen, um eine gleichförmigere Ausbildung des magnetischen Feldes im Bereich des gasförmigen Lasermediums zu erhalten, doch lassen sich auch andere Anordnungen verwenden, welche eine entsprechende Komponente des magnetischen Feldes im Lasermedium zur Wirkung bringen. Die Spulen 202, 212, 222 und 232 umschlingen den Kanal 108. Vorzugsweise werden sämtliche vier Spulen von einer einzigen Stromquelle aus beaufschlagt, so daß ein Strom solcher Größe und Richtung fließt, daß in den Kanälen ein magnetisches Feld wirksam wird, das die Aufspaltung der Dispersionskurven in gleicher Größe wie die Aufspaltung der Frequenz aufgrund der Faraday-Vorspannung mittels des Faraday-Rotators 156 erzeugt, wobei die Aufspaltung eine Richtung hat, welche die Empfindlichkeit der Wellen gegenüber dem Verstärkermedium im angegebenen Sinne beseitigt.Reference is now again made to FIGS. 1 to 4. It can be seen that according to a preferred embodiment magnetic field for generating the Zeeman splitting of the dispersion curves is obtained by coils which wrap around the channel in which the laser medium is located. In bores are drilled into block 102 in order to create channels 200, 210 and 230 which are used to receive the coils. the Coils 202 and 212 are on one side of the cathode electrode 22, while coils 222 and 232 are on the other side of the cathode 22 are located to have a Zeeman split over the entire Laser section of the propagation path? to be able to achieve. Four coils are provided for a more uniform formation of the magnetic field in the area of the gaseous laser medium, but other arrangements can also be used, which bring about a corresponding component of the magnetic field in the laser medium. The coils 202, 212, 222 and 232 wrap around the channel 108. All four coils are preferably acted upon by a single power source, so that a current flows of such magnitude and direction that a magnetic field becomes effective in the channels, which causes the splitting of the dispersion curves in the same size as the splitting of the frequency due to the Faraday bias by means of of the Faraday rotator 156, the splitting having a direction which the sensitivity of the waves to the amplifier medium eliminated in the specified sense.
Vorzugsweise regelt man die Stärke des Magnetfeldes, das zur Erzeugung der Zeeman-Aufspaltung notwendig ist, in Abhängigkeit von der Stärke der Faraday-Vorspannung, welche von dem Faraday-Rotator bewirkt wird.The strength of the magnetic field, which is necessary to generate the Zeeman splitting, is preferably regulated as a function on the strength of the Faraday bias caused by the Faraday rotator.
In Figur 1 ist die Ausgangsoptik 144 angedeutet, welche die beiden Dioden 145 und 146 trägt. Die Ausgangsoptik 144 trennt dasIn Figure 1, the output optics 144 is indicated, which the two Diodes 145 and 146 carries. The output optics 144 separate this
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3H1175 Γ · : : '3H1175 Γ ·: '
linkszirkularpolarisierte Frequenzpaar entgegengesetzt zueinander
umlaufender Wellen von dem rechtszirkularpolarisierten Wellenpaar entgegengesetzt zueinander umlaufender Wellen, wobei jedes
Paar von einer gesonderten Diode untersucht wird= Beispielsweise dient die Diode 145 zur Erzeugung eines Signals entsprechend
jf^ fa„ nämlich der Frequenzdifferenz (f2~^*1 ^ ^es ersten
Frequenzpaares, während die Diode 146 zur Erzeugung eines Signales
entsprechend ^y\ f^ dient, nämlich der Frequenzdifferenz
Cf4-T3) des zweiten Frequenzpaaros. Die Ausgänge der Dioden
und 146 sind mit der Dispers Jonssteuereinrichtung 3DO verbunden.
In der Ruhe oder bei Stillstand gilt fa=f]-) und jede Differenz
entspricht der Faraday-Frequenzvorspannung. Bei Auftreten einer
Drehung wird die eine der beiden Differenzfrequenzen größer und
die andere Differenzfrequenz wird kleiner, wobei Betrag und Vorzeichen
der Änderung abhängig von der Geschwindigkeit und der Richtung der Drehung sind. Die Dispersionsreqeleinrichtung 300
enthält übliche elektronische Schaltkreise zur Bildung eines
Signales entsprechend dem Mittelwert der beiden Differenzfrequenzen,
womit auch während einer Drehung die Faraday-Frequenzvorspannung gemessen wird. Weitere Schaltkreise in der Dispersionsregeleinrichtung
300 liefern den Strom an die Spulen 202, 212, 222 und 232 in Abhängigkeit von dem die Faraday-Vorspannung
darstellenden Signal, um ein magnetisches Feld in dem Kanal 108 aufzubauen, welches die Dispersionskurve um einen Betrag
aufspaltet, welcher gleich der Frequenzaufspaltung ist, die durch die Faraday-Vorspannung bewirkt wird. Das für diese Abgleichung
der Dispersion notwendige magnetische Feld ist durch folgenden Ausdruck gegeben:
H = Faraday-Vorspannung/2gBh =
= (Faraday-Vorspannung in Hz)/(3,64 10") Oe und der notwendige Strom zur Erzeugung dieses Magnetfeldes ist
in bekannter Weise proportional zur Anzahl der Windungen der Spulen=left circularly polarized frequency pair of oppositely circulating waves from the right circularly polarized wave pair of oppositely circulating waves, each pair being examined by a separate diode = for example, the diode 145 is used to generate a signal corresponding to jf ^ f a " namely the frequency difference (f2 ~ ^ * 1 ^ ^ es the first frequency pair, while the diode 146 is used to generate a signal corresponding to ^ y \ f ^, namely the frequency difference Cf 4 -T 3 ) of the second frequency pair. The outputs of diodes 14 and 146 are connected to the dispers ion controller 3DO. At rest or at standstill, f a = f] - ) and each difference corresponds to the Faraday frequency bias. When a rotation occurs, one of the two difference frequencies increases and the other difference frequency decreases, the magnitude and sign of the change being dependent on the speed and direction of the rotation. The dispersion control device 300 contains conventional electronic circuits for forming a signal corresponding to the mean value of the two difference frequencies, with which the Faraday frequency bias is also measured during a rotation. Further circuitry in dispersion controller 300 provides current to coils 202, 212, 222 and 232 in response to the Faraday bias signal to establish a magnetic field in channel 108 which splits the dispersion curve by an amount equal to is the frequency split caused by the Faraday bias. The magnetic field required for this adjustment of the dispersion is given by the following expression:
H = Faraday bias / 2gBh =
= (Faraday bias in Hz) / (3.64 10 ") Oe and the current required to generate this magnetic field is proportional to the number of turns of the coils = in a known manner
Es zeigt sich, daß der Faraday-Rotator des hier vorgeschlagenen Laserkreisels eine Faraday-Frequenzvorspannung erzeugt, welcheIt turns out that the Faraday rotator of the laser gyro proposed here generates a Faraday frequency bias which
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3H1-1753H1-175
, sich umgekehrt proportional zur Temperatur verhält. Durch die ; Dispersionsregeleinrichtung 300 wird das für die Zeeman-Aufspal- ; tung notwendige magnetische Feld als Funktion der gemessenen Fa- ! raday-Frequenzvorspannung bereitgestellt und demgemäß ist die Dispersionsabgleichung unabhängig von der Temperaturabhängigkeit der Faraday-Vorspannung. Die Regeleinrichtung 300 erzeugt einen Strom, dessen Amplitude in Abhängigkeit von einem Signal geregelt wird, das der gemessenen Faraday-Frequenzvorspannung entspricht, wobei durch einige Proportionalitätskonstanten sowohl die Beziehung des magnetischen Feldes, dossen Polung vom Wicklungssinn der Spulen abhängig ist, zur Faraday-Frequenzvorspannung, als auch die Anzahl der Windungen der Spulen berücksichtigt sind., is inversely proportional to the temperature. Through the; Dispersion control device 300 is the one for the Zeeman splitting ; necessary magnetic field as a function of the measured ! raday frequency bias is provided and accordingly the dispersion adjustment is independent of the temperature dependence the Faraday bias. The control device 300 generates a current, the amplitude of which is controlled as a function of a signal which corresponds to the measured Faraday frequency bias, where by some constants of proportionality both the relationship of the magnetic field, the polarity of which is dependent on the winding direction of the coils, to the Faraday frequency bias, as the number of turns of the coils are also taken into account.
Eine ins einzelne gehende Boschreibung der Regeleinrichtung ist nicht erforderlich, da Schaltungen dieser Art, wenngleich für andere Zwecke, dem Fachmann geläufig sind.A detailed description of the control system is not required as circuits of this type, albeit for other purposes that are familiar to the person skilled in the art.
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