DE3150160C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel nach dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Bei einem Ringlaserkreisel pflanzen sich beispielsweise in einem dreieckförmigen Laserpfad zwei entgegengesetzt umlaufende Lichtwellenzüge fort. Während der eine Lichtwellenzug im Uhrzeigersinn (cw) sich fortpflanzt, weist der andere Lichtwellenzug eine hierzu entgegengesetzte Fortpflanzungsrichtung (ccw) auf. In einem Inertial-Bezugssystem haben der cw- und ccw-Lichtwellenzug der selben Mode die gleiche Frequenz γ. Rotiert jedoch der Ringlaserkreisel in einem Inertialraum, so besitzen nach der allgemeinen Relativitätstheorie der cw- und ccw-Lichtwellenzug folgende Differenzfrequenz:

Δ γ = K₀ · Ω (1)

wobei

In diesen Gleichungen bedeuten:

Δ γ= Ausgangs-DifferenzfrequenzΩ= Eingangs-Drehrateλ₀= Vakuum-Wellenlänge des Laserlichts L₀= Optische Resonatorlänge F₀= Resonatorfläche senkrecht zur Drehachse des Kreisels

Diese Differenzfrequenz Δ γ kann durch teilweise Spiegel-Auskopplung des cw- und ccw-Lichtwellenzugs mittels verschiedener Methoden als Ausgangssignal gemessen werden und liefert sodann nach Gleichung (1) die gesuchte Eingangs-Drehrate Ω bzw. den Drehwinkel ϕ, wenn ein zeitintegrierendes Impulszählverfahren angewandt wird.

Im Idealfall kann man die beiden entgegengesetzt umlaufenden Lichtwellenzüge als voneinander unabhängig auffassen. In der Praxis sind jedoch in jedem Ringlaserkreisel der cw- und ccw-Lichtwellenzug in Folge von Energieaustausch miteinander gekoppelt, wobei die Kopplung im wesentlichen durch die geringfügige Lichtrückstreuung von einem Lichtstrahl in den anderen an den Spiegeln erfolgt. Nach der Theorie gekoppelter Oszillatoren stellt sich die tatsächliche Ausgangs-Differenzfrequenz folgendermaßen dar:

Δ γ = ₀ für Ω Ω _L

Die Aussage der Gleichung (1a) ist in Fig. 1 der Zeichnung graphisch veranschaulicht, wobei die gestrichelte Kurve den idealen Verlauf und die ausgezogene Kurve den tatsächlichen Verlauf der Ausgangs-Differenzfrequenz Δ γ in Abhängigkeit von der Eingangs-Drehrate Ω darstellt. Aus Fig. 1 erkennt man, daß bei Eingangs-Drehraten, die kleiner als die sogenannte Mitzieh-Schwelle Ω (lock-in) sind, der Ringlaserkreisel kein Ausgangssignal Δ γ liefert. Die gegenläufigen Lichtwellenzüge sind bei kleiner Differenz ihrer Eigenfrequenz in einer gleichen Schwingungsfrequenz miteinander verriegelt, d. h. ihre Frequenzen ziehen sich mit. Dieser bekannte Mitzieheffekt hat zur Folge, daß erst bei Eingangs-Drehraten Ω oberhalb der Lock-in-Schwelle Ω _L die Frequenzen der beiden Lichtwellenzüge entkoppelt sind und man ein Ausgangssignal Δ γ erhält.

Zur Vermeidung dieses Lock-in-Effektes bei niedrigen Eingangs-Drehraten Ω ist es bekannt, den Ringlaserkreisel um seine Eingangsdrehachse in mechanische Drehschwingungen zu versetzen. In diesem Zusammenhang sei auf die DE-PS 12 92 899, die DE-OS 28 39 066 und die US-PS 38 41 758 verwiesen. Die dem Ringlaserkreisel mitgeteilte Zitterbewegung (Dither) ist hierbei so zu bemessen, daß die momentane Drehrate Ω des Kreisels auch ohne äußere Drehrate während des größten Teils der Meßzeit über der Lock-in-Schwelle Ω _L und im linearen Teil der Kurve Δ γ ( Ω ) liegt. Der Nullpunktversatz des Ausgangssignales Δ γ infolge der Zitterbewegung muß bei der Signalauswertung korrigiert werden.

Im bekannten Fall (DE-OS 28 39 066) ist der Laser an, nach Art eines Speichenrades angeordneten Blattfedern aufgehängt, und das gesamte System wird durch einen Antrieb in seiner Resonanzfrequenz sinusförmig in Schwingungen versetzt, wobei der Antrieb durch Piezoelemente erfolgt, die auf die Blattfedern aufgeklebt sind und entsprechend angesteuert werden. In der US-PS 38 41 758 versetzt ein elektromagnetischer Antrieb den Laser in eine Zitterbewegung um eine Achse. Bei einer sinusförmigen Drehschwingung mit der Kreisfrequenz ω=2π γ ist der Drehwinkel ϕ des Laserkreisels folgendermaßen vorgegeben:

ϕ = ϕ _max · sin ω t (2)

Durch Ableitung nach der Zeit erhält man folgende momentane Winkelgeschwindigkeit des Ringlaserkreisels:

oder

Ω = Ω _max · cos ω t mit Ω _max = ϕ _max · ω (3a)

Der Verlauf der Signale ϕ und Ω ist in den Fig. 2a und 2b dargestellt. Unter Bezugnahme auf diese Figuren und die Gleichung (3a) läßt sich die Nicht-Totzeit für eine Drehschwingungs-Viertelperiode folgendermaßen angeben:

Da die Gesamt-Meßzeit t _gesamt durch vorgegeben ist, stellt sich das Verhältnis von Nicht-Totzeit zur Gesamt-Meßzeit folgendermaßen dar:

Das Verhältnis von Gesamt-Meßzeit zu Totzeit ist dann durch folgenden Ausdruck gegeben:

Aus Gleichung (5) ist erkennbar, daß bei einer sinusförmigen Dither-Drehschwingung die Zitteramplitude ϕ _max und die Zitterkreisfrequenz ω=2π γ so groß wie möglich gemacht werden müssen, damit die Nicht-Totzeit ein Maximum erreicht. Der sich gemäß Gleichung (6) ergebende Wert für V * stellt ein wichtiges Gütekriterium für Ringlaserkreisel dar.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher, bei einem Ringlaserkreisel die Güte V *, d. h. das Verhältnis von Gesamt-Meßzeit zu Totzeit, zu verbessern. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß der im Anspruch 1 gekennzeichneten Erfindung. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Der erfindungsgemäß formschlüssig an dem Ringlaserkreisel angreifende Antrieb ist ein piezoelektrischer Linearantrieb. Greift ein solcher Antrieb an einem als Torsionsfeder ausgebildeten Träger des Ringlaserkreisels an und spannt man diese Torsionsfeder vor, so folgt der Kreisel der über den Antrieb befohlenen Bewegung, wobei diese Bewegung von der Sinusform abweichen kann und die Zitteramplitude und Zitterkreisfrequenz maximale Werte erreichen können.

Aus der Zeitschrift "mikrowellen magazin", Heft 5, 1980, S. 422, ist es bereits bekannt, durch einen im Laserpfad angeordneten und entsprechend angesteuerten Magnetspiegel abweichend von der Sinusform eine rechteckförmige Vorspannung zu erzielen. Diese Magnet-Spiegel wirken sich aber ebenso wie Faraday-Zellen aus anderen Gründen leistungsmindernd auf Laserkreisel aus.

Ferner ist es aus der DE-OS 29 00 609 bereits bekannt, einen piezoelektrischen Stapelantrieb für die Verstellung eines Eckspiegels bei einem Laser und somit für die Steuerung der Laserstrahllänge einzusetzen.

Anhand eines in den Figuren der beiliegenden Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden die Erfindung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 ein Diagramm zur Veranschaulichung des Lock-in-Effektes;

Fig. 2a und 2b Diagramme zur Veranschaulichung der Totzeit im Verhältnis zur Meßzeit bei einer sinusförmigen Dither-Bewegung;

Fig. 3a und 3b eine Draufsicht und eine Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Ringlaserkreisels;

Fig. 4a und 4b zwei für die Erzielung der Dither-Bewegung verwendbare Piezo-Stapelantriebe; und

Fig. 5a und 5b Diagramme zur Veranschaulichung des Verhältnisses von Totzeit zu Meßzeit bei einem in Schwingung versetzten Ringlaserkreisel gemäß der Erfindung.

Gemäß den Fig. 3a und 3b besteht der eigentliche Ringlaserkreisel aus einem dreieckförmigen Zerodurblock 10, in den in bekannter Weise eine Laserröhre integriert bzw. modular eingesetzt ist und der einen dreieckförmigen Strahlengang aufweist, was jedoch nicht dargestellt ist. In den Eckpunkten des Zerodurblockes 10 sitzen drei Spiegel als Reflektoren mit Piezotreibern zum Resonatorlängenausgleich, was durch Blöcke 11, 11′ und 11′′ angedeutet ist. An einem der Spiegel erfolgt zudem eine Auskopplung der Lichtwellenzüge.

Der Zerodurblock 10 ist zwischen Scheiben 12 und 13 eingespannt. Die Einspannung erfolgt hierbei am äußeren Rand der Scheiben 12 und 13, indem diese im Randbereich eine vergrößerte Dickenabmessung aufweisen. Zur Vorgabe des Verhaltens einer Torsionsfeder sind beide Scheiben mit auf einem Kreis angeordneten und durch Stege 14 getrennten Ausnehmungen 15 versehen. Die Scheiben bestehen vorzugsweise aus Metall.

Ein ortsfester Lagerblock 16 weist einen zentralen, nach oben gerichteten Gewindezapfen 17 auf. Über diesen Gewindezapfen 17 wird die untere Scheibe 13 mit einer zentralen Ausnehmung geschoben und in Zapfennähe durch Schrauben 18 mit dem Lagerblock 16 verbunden. Ein Absatz 19 an dem Lagerblock 16 verhindert einen Kontakt der unteren Scheibe 13 mit dem Lagerblock 16 in einem Bereich, der sich von den Ausnehmungen 15 radial nach außen erstreckt. Die untere Scheibe 13 weist wenigstens einen sich radial nach außen erstreckenden Arm 20 auf, an dem in tangentialer Richtung ein Abtrieb 21 angreift, der auf Druck oder auf Zug arbeitet. Die obere Scheibe 12 ist mit einer zentralen Gewindebohrung versehen, mit der sie auf den Gewindezapfen 17 aufgeschraubt wird, so daß sie den mittels einer zentralen Öffnung 22 über den Gewindezapfen 17 geschobenen Zerodurblock 10 zwischen sich und der unteren Scheibe 13 im Randbereich einspannt.

Im Prinzip können mehrere synchron angesteuerte Antriebe 21, 21′ und 21′′ an mehreren radial gerichteten Armen 20, 20′ und 20′′ angreifen; es hat sich aber gezeigt, daß ein einziger linearer piezoelektrischer Antrieb 21 ausreichend ist, um die Ditherbewegung vorzugeben. Hierbei ist die Torsionsfeder 12, 13 leicht vorgespannt, so daß der Antrieb spielfrei und formschlüssig erfolgt.

Als Antriebe werden die in den Fig. 4a und 4b dargestellten longitudinalen bzw. transversalen piezoelektrischen Stapelantriebe 21 verwendet. Diese Antriebe besitzen sehr hohe Stellkräfte, so daß mit ihnen gegen eine sehr hohe Last ohne starke Abnahme des Stellwegs gearbeitet werden kann. Daher kann man bei Verwendung eines solchen Antriebes 21 die Torsionsfeder 12, 13 extrem hart auslegen, so daß man aufgrund der vergrößerten Federkonstanten gegenüber bekannten Ditherantrieben eine sehr viel höhere Resonanzfrequenz des Systems erzielen kann und mit Vorteil unterhalb der Resonanzfrequenz arbeiten kann.

Unter bewußtem Verzicht auf Resonanzüberhöhungen kann man aufgrund der großen Stellkraft des Motors auch unterhalb der Resonanzfrequenz eine hinreichende Amplitude erzielen, wobei sich eine von der Sinusform abweichende Ansteuerung als besonders vorteilhaft erweist.

Es wird eine dreieckförmige Ditherbewegung unterhalb der Drehpendel-Resonanzfrequenz vorgeschlagen, was durch einen geeignet geformten Spannungsverlauf bei der Ansteuerung des Piezoantriebs (vorprogrammiert oder über einen Regelkreis) sowie eine geeignet gewählte Drehpendeldämpfung erreichbar ist.

Aus den Fig. 5a und 5b ist erkennbar, daß bei einer solchen Ansteuerung eine wesentliche Verringerung der Kreisel-Totzeit gegenüber den in den Fig. 2a und 2b dargestellten bekannten Verhältnissen erreicht wird. In den Fig. 5a und 5b ist durch die ausgezogene Linie jeweils der ideale Verlauf und durch die gestrichelte Linie der tatsächliche Verlauf des Drehwinkels und der Drehrate über der Zeit dargestellt.

Um bei einer periodischen Zeitverteilung der Mitzieh-Intervalle zu verhindern, daß sich bei bestimmten Eingangs-Drehraten ein Fehlersignal akkumulativ aufbaut, kann mit Vorteil die Dreieckschwingung moduliert werden. Dies kann einmal geschehen durch eine statistisch verteilte, symmetrische Frequenzmodulation der Dreieckschwingung ( Δ γ≈0,1q ) und/oder durch eine Amplitudenmodulation der Dreieckschwingung mit einer regellos auftretenden, kleinen Schwingungskomponente.

Es ist festzuhalten, daß die Kreisel-Totzeit minimal wird, wenn man bei der kleinsten möglichen Periodenfrequenz der Dreieckkurve den Kreisel in Schwingung versetzt und das mechanische Drehpendel demgegenüber eine möglichst hohe Eigenfrequenz besitzt. Die Totzeit wird dann durch die reale Form der Dreieckspitze bestimmt, deren Krümmungsradius nicht größer als die Sinusspitze im Resonanzfall sein wird. Gegenüber bislang bekannten Laserkreiseln kann der eingangs erwähnte Gütefaktor um einen Faktor in der Größenordnung von zwei Zehnerpotenzen angehoben werden.

Claims (6)

1. Ringlaserkreisel mit einer den den Laserhohlraum enthaltenden Block mechanisch in Drehschwingungen versetzenden Vorrichtung zur Vermeidung eines Mitzieheffektes, welche Vorrichtung einen als Torsionsfeder ausgebildeten Träger zwischen einer ortsfesten Abstützung und dem Block sowie einen an dem Träger angreifenden piezoelektrischen Antrieb aufweist, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der piezoelektrische Antrieb ist ein als Stapelantrieb ausgebildeter Linearantrieb (21) und greift tangential und formschlüssig an dem Träger (12, 13), der in der Ruhestellung des Linearantriebs (21) vorgespannt ist, an; und
• b) die Erregung des Linearantriebs (21) erfolgt mit einer von der Sinusform abweichenden und gegenüber dieser verkürzte Umkehrintervalle aufweisenden Schwingung.

2. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger zwei Scheiben (12, 13) aufweist, die mit auf einem Kreis angeordneten Ausnehmungen (15) versehen sind und die im Randbereich eine vergrößerte Dickenabmessung haben, daß der Block (10) zwischen den beiden Scheiben (12, 13) eingespannt ist und daß das Zentrum der Scheiben (12, 13) mit der ortsfesten Abstützung (16, 17) verbunden ist.

3. Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine in ihrem zeitlichen Verlauf dreieckförmige Schwingungsform.

4. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerfrequenz unterhalb der Resonanzfrequenz des federnd gelagerten Kreisels liegt.

5. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine statistisch verteilte, symmetrische Frequenzmodulation der Dreieckschwingung.

6. Ringlaserkreisel nach Anspruch 3, gekennzeichnet durch eine Amplitudenmodulation der Dreieckschwingung durch Überlagerung einer regellos auftretenden kleinen Schwingungskomponente.