DE3200040A1

DE3200040A1 - Ringlaser-drehgeschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE3200040A1
Application number: DE19823200040
Authority: DE
Inventors: James B. Wayland Mass. Matthews; Albert N. Boxboro Mass. Zampiello
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-01-05
Filing date: 1982-01-04
Publication date: 1982-08-12
Also published as: NL192219B; NL192219C; AU551539B2; NO163305C; NL8105496A; US4397027A; DE3200040C2; NO820004L; ES508500A0; SE8200013L; JPS57134982A; IT8150010A0; AU7778181A; FR2497570A1; BE891677A; FI814207L; IT1172193B; CA1166732A; FR2497570B1; GB2090697B

Description

LANDWEHRSTR 37 BOOO MONCHBN*.
TEL 089/096764 ^"

München, den 30. Dezember 1981 /J Anwaltsaktenz.: 27 - Pat. 305

Raytheon Company, 141 Spring Street, Lexington, Mass. 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser oder Laserkreisel, bei welchem mindestens zwei unterschiedliche Frequenz aufweisende elektromagnetische Wellen innerhalb eines Resonanzhohlraumes Verwendung finden. Vornehmlich betrifft die Erfindung Laserkreisel, bei welchen eine Fresnel-Fizeau-Verschiebung aufgrund einer Langmuir-Strömung vermieden ist, welche anderenfalls im Ausgang des Laserkreisels als eine Verschiebung der Frequenzvorspannung auftreten würde.

Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser oder Laserkreisel weisen im allgemeinen zwei oder mehrere in entgegengesetzter Richtung längs eines in sich geschlossenen Ausbreitungsweges angeregte Wellen auf, wobei der in sich geschlossene Ausbreitungsweg ein Laser-Verstärkungsmedium enthält, so daß eine.Drehung des Systems um eine Achse, welche den in sich geschlossenen Ausbreitungsweg durchdringt, eine Veränderung des Weges für in entqegengesetzter Richtung umlaufende Wellen abhängig von der Drehgeschwindigkeit bewirkt. Bei Systemen mit zwei Wellen oder zwei Frequenzen hat sich gezeigt, daß bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten entsprechend einer geringen theoretischen Differenzfrequenz die tatsächliche Ausgangs-Differenzfrequenz zu Null wird oder wesentlich geringer ist,

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als dies zu erwarten ist, was auf dem sogenannten Lock-in-Effekt j beruht. Vermutlich resultiert der Einrasteffekt oder der soge-

nannte Lock-in-Effekt auf einer Kopplung zwischen den Wellen, wc—

■ für die Ursache eine Reihe von Faktoren sein kann, unter anderem, die Streuung der Laserenergie an Elementen innerhalb des Laser-Ausbreitungsweges für die Laserenergie, insbesondere an Elementen innerhalb des Laser-Ausbreitungsweges, beispielsweise an Reflektoren oder an polarisationsselektiven Bauelementen oder aber an Streuzentren innerhalb des Lasermediums selbst.

Vorteilhafte Lasersysteme für Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit vier elektromagnetischen Wellen oder zwei Paaren von Wellen, welche sich in jeweils entgegengesetzter Richtung innerhalb des Umlaufweges ausbreiten, sind in den US-Patentschriften 3 741 657 oder 3 854 819 beschrieben. In derartigen Lasersystemen ist eine zirkuläre Polarisation für jede der vier vorhandenen elektromagnetischen Wellen vorgesehen. Das Paar von Wellen, welches sich im Uhrzeigersinn ausbreitet, enthält Wellen mit linkszirkularer Polarisation und mit rechtszirkularer Polarisation, ebenso wie die beiden Wellen des Wellenpaares, dessen Ausbreitungsrichtung im Gegenuhrzeigersinn weist. Dieses System mit vier Frequenzen oder mit einem System, bei welchem ein Mehrfachwellen-Laserkreisel verwirklicht ist, vermeidet das Problem des Lock-in-Effektes, welcher bei allen herkömmlichen Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern oder Zweifrequenz-Drehgeschwindigkeitsmessern auftritt. Das System kann als ein Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit zwei unabhängigen Laserkreiseln beschrieben werden, welche in einem einzigen stabilen Resonanzhohlraum betrieben werden, die einen einzigen, gemeinsamen optischen Ausbreitungsweg miteinander teilen, wobei jedoch eine statische Vorspannung in entgegengesetzter Richtung durch dasselbe passive Vorspannungselement erzeugt wird. In dem differentiellen Ausgang der beiden Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser löschen sich die Vorspannungen aus, während sich durch die Rotation verursachte Signale addieren, wodurch die üblichen Schwierigkeiten aufgrund .eines Drifts in der Vorspannung vermieden werden und eine Empfindlichkeit erhalten wird,

welche das Doppelte eines einzigen, mit zwei Frequenzen arbeitenden Laser-Drehgeschwindigkeitsmessers ist. Nachdem eine Modulation der Vorspannung nicht erforderlich ist, durch- ! läuft das Lasersystem in keinem Fall eine Lock-in-Phase. Aus diesem Grunde treten keine modulationsbedingte Fehler auf, welche die Genauigkeit des Systems begrenzen. Demgemäß ist ein mit vier Frequenzen arbeitendes Laser-Drehgeschwindigk'eitsmeßsystem charakteristischerweise ein Gerät mit geringerer Störungsanfälligkeit, so daß dieses System für Anwendungsfälle geeignet ist, welche eine rasche Positionskorrektur oder eine hohe Auflösung erfordern.

Die Geschwindigkeit der Ausbreitung des Lichtes in einem bewegten Medium hängt von der Geschwindigkeit des betreffenden bewegten Mediums ab. In einem Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser verschiebt eine Bewegung des Mediums die Resonanzfrequenz des Lichtes oder der Laserwellen entsprechend der Bewegung des'Mediums, wodurch eine Frequenzverschiebung verursacht wird, welche eine Drehgeschwindigkeit simuliert. Diese Frequenzverschiebung wird als Fresnel-Fizeau-Verschiebung bezeichnet, welche einer Ausgangsvorspannung des Drehgeschwindigkeitsmesser-Ausgangs entspricht.

Eine Helium-Neon-Gasentladungsstrecke innerhalb des Laser-Drehgeschwindigkeitsmessers stellt ein derartiges bewegtes Lasermedium dar. Die Erscheinung einer Langmuir-Strömung, bei welcher die schweren Ionen im Plasma mit den Wänden der Gasentladungsröhre stärker gekoppelt sind als die Elektronen, resultiert in einer effektiven Strömung des Gases im Bereich des Zentrums der Röhre in Richtung auf die Kathode und einer Rückströmung längs der Wände in der entgegengesetzten Richtung. Demgemäß tritt.ein vergleichsweise großer Gradient der Strömungsgeschwindigkeit im Querschnitt des Resonanzhohlraumes des Laser-Drehgeschwindigkeitsmessers auf.

Die Fresnel-Fizeau-Verschiebung ist eine der bereit früh erkannten Fehlerquellen bei Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern mit zwei

Frequenzen sowie auch mit einer höheren Zahl von Frequenzen. Es wurde bereits versucht, diesen Verschiebungseffekt zu unterdrükken oder auszulöschen, indem eine vollständig symmetrische Aufspaltung des Entladungsvorganges gewählt wurde, wobei eine präzis symmetrische Elektronenstromquelle (zur Beaufschlagung zweier Anoden) erforderlich ist, um die Gleichheit der Elektronenströme in jeder Hälfte des aufgespaltenen Entladungsweges bei entgegengesetztem Strömungsweg sicherzustellen. Die sich ausbreitenden, in Resonanz befindlichen Lichtwellen treffen auf Gasströmungen aufgrund der aufgespaltenen Entladungsströme und der Verschiebungseffekt eines Entladungsstromes wirkt im Sinne einer Auslöschung des Verschiebungseffektes des anderen Entladungsstromes.

Ein anderer Versuch sah die Erzeugung einer niederfrequenten Amplitudenmodulation der Ströme zu jeder der beiden Anoden eines mit zwei Frequenzen arbeitenden Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers vor, um eine Modulation der Geschwindigkeit der Gasentladungsströmung zu erzeugen, welche zu einer Auslöschung des Fizeau-Effektes führt. Diese Maßnahme macht jedoch beträchtliche elektronische Schaltungen außerhalb des optischen Wellenausbreitungsweges des Ringlasers notwendig.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, die Auslöschung der Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekte auf die Resonanzfrequenzen der Lichtwellen ohne die Notwendigkeit zweier Anoden und die erforderliche Präzision von elektronischen Einrichtungen außerhalb des Resonanzhohlraumes des Ringlasers zu erreichen. Diese Aufgabe wird durch die im anliegenden Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im einzelnen wird ein Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser oder Laserkreisel angegeben, welcher einen in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg mit einem Verstärkermedium oder Lasermedium aufweist, so daß sich eine Mehrzahl von Wellen in entgegengesetzten Richtungen ausbreiten kann, wobei jede der Wellen eine jeweils unterschiedliche Frequenz innerhalb des elektromagneti-

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sehen Spektrums aufweist. Außerdem ist in dem geschlossenen Wellenausbreitungsweg ein Kanal vorgesehen, in welchem ein Strompfad für eine elektrische Entladung zwischen einer Anode und einer Kathode gebildet ist, um das Laser-Verstärkermedium anzuregen, das vorzugsweise in einer Mischung aus Helium und Neon besteht. Der Entladungsstrom fließt in bestimmten Teilen des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges und trifft auf die genannten elektromagnetischen Wellen relativ zu diesen in derselben Richtung und in entgegengesetzter Richtung, derart, daß der Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekt ausgelöscht wird, welcher anderenfalls in Gestalt einer frequenzmäßigen Vorspannung im Ausgang des Laserkreisels resultieren würde. Zusätzlich befindet sich in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg eine Mehrzahl von Reflektoren, um die elektromagnetischen Wellen in dem Ausbreitungsweg rundum zu leiten. Fernerhin sind magnetooptische Einrichtungen vorgesehen, um den elektromagnetischen Wellen eine nichtreziproke Frequenzvorspannung mitzuteilen und schließlich ist der in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg als nicht in einer Ebene liegend ausgebildet und führt linkssinnig und rechtssinnig zirkulär polarisierte Wellen.

Der genannte Kanal liegt vorzugsweise im Bereich einer Verschneidung einer ersten Ebene, welche einen ersten Abschnitt des Wellenausbreitungsweges enthält, und einer zweiten Ebene, in welcher ein zweiter Abschnitt des Wellenausbreitungsweges gelegen ist. Ein in dieser Weise ausgebildeter, nicht in einer Ebene liegender Wellenausbreitungsweg bewirkt eine Frequenzaufspaltung zwischen den linkssinnig und den rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen. Zusätzlich zu der Verbesserung durch Auslöschung des Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffektes aufgrund des selbstkompensierenden Gasentladungsstrompfades ermöglicht es die Ausbildung eines einzigen Entladungsstrompfades, daß die Kathode im Resonanzhohlraum kleiner ausgebildet wird. Der Entladungsstrompfad der mindestens zwei optischen Resonanzhohlräume oder Ringlaser kann in Serienschaltung liegen, so daß der Entladungsstrom trotz Verwendung einer einzigen Anode und einer einzigen Kathode längs der Achsen

mehrerer Ringlaser geführt wird.

j Weiter wird vorliegend ein mehrachsiger Ringlaser-Drehgeschwin- j digkeitsmesser angegeben, welcher mindestens zwei in sich ge- j j schlossene Wellenausbreitungswege mit jeweils einem Verstärker- j \ medium aufweist, wobei in den in sich geschlossenen Wellenaus- ; breitungswegen jeweils eine Mehrzahl von Wellen in jeweils ent- ' gegengesetzter Richtung umläuft und jede Welle innerhalb eines in sich geschlossenen Ausbreitungsweges eine jeweils unterschiedliche Frequenz besitzt. Das Laser-Verstärkermedium in den Wellenausbreitungswegen wird durch einen elektrischen Entladungsstrom zwischen einer Anode und einer Kathode in dem Medium angeregt, welches in einer Mischung von Helium und Neon besteht. Dabei ist wiederum dafür Sorge getragen, daß der genannte einzige Entladungsstrom in Teilen jedes der in sich geschlossenen Wellenausbreitungswege so strömt, daß er die angeregten Wellen mit Bezug auf deren Richtung in gleicher Richtung und in entgegengesetzter Richtung trifft. Zwischen den in sich geschlos- ; senen Wellenausbreitungswegen ist eine Verbindung vorgesehen, j so daß für den Entladungsstrom ein Weg geschaffen wird, welcher j dem Strom die Möglichkeit gibt, zwischen den in sich geschlossenen Wellenausbreitungswegen zu fließen. Die Wellenausbreitungswege sind in einem Laserkreiselblock gebildet. Eine Mehrzahl von Reflektoren sind jedem der Ausbreitungswege zugeordnet und lenken die angeregten Wellen in dem Ausbreitungsweg rundum. Magnetooptische Mittel in jedem Wellenausbreitungsweg sorgen für eine nichtreziproke frequenzmäßige Vorspannung der elektromagnetischen Wellen und der nicht in einer Ebene liegende, in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg führt jeweils linkssinnig und rechtssinnig zirkulär polarisierte Wellen. Die angegebene Führung des Entladungsstromes wird vorzugsweise dadurch erreicht, daß ein Kanal vorgesehen ist, welcher zwei Punkte innerhalb jedes der Entladungswege längs der Verschneidung einer ersten Ebene, welche einen ersten Abschnitt des Wellenausbreitungsweges enthält und einer zweiten Ebene, welche einen zweiten Abschnitt des Wellenausbreitungsweges enthält,

miteinander verbindet. Der genannte, einzige Entladungsstrom wird innerhalb des Laserkreiselblockes durch eine Bohrung geführt, so daß der Strom zwischen den in sich geschlossenen Wellenausbreitungswegen fließen kann.

In einem Laserkreiselblock können mindestens zwei gesonderte und voneinander unabhängige, in sich geschlossene Wellenausbreitungswege gebildet sein, welche jeweils ein Lasermedium oder Verstärkermedium enthalten und in welchen sich jeweils eine Mehrzehl elektromagnetischer Wellen in jeweils entgegengesetzten Richtungen ausbreitet. Die Wellen innerhalb eines in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges haben dabei jeweils unterschiedliche Frequenzen. Eine Anregung des Laser-Verstärkermediums in jedem der in sich geschlossenen Wellenausbreitungswege wird durch einen einzigen elektrischen Entladungsstrom innerhalb des Laser-Verstärkermediums zwischen einer in dem in sich geschlossenen Ausbreitungsweg enthaltenen Anode und einer zugehörigen Kathode erreicht. Der genannte einzige elektrische Entladungsstrom wird durch geeignete Mittel in Teilen jedes der in sich geschlossenen Wellenausbreitungswege so geführt, daß er auf die elektromagnetischen Wellen des betreffenden Wellenausbreitungsweges relativ zu den Wellen in gleicher Richtung und in entgegengesetzter Richtung orientiert trifft. Auch bei dieser Ausbildung ist eine Mehrzahl von Reflektoren in jedem der in sich geschlossenen Wellenausbreitungswege vorgesehen, um die Wellen innerhalb des betreffenden Weges rundum zu leiten und magnetooptische Mittel in jedem Wellenausbreitungsweg dienen zur nichtreziproken frequenzmäßigen Vorspannung der elektromagnetischen Wellen. Der nicht in einer Ebene liegende, in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg führt linkssinnig und rechtssinnig zirkulär polarisierte Wellen. Wie bereits erwähnt, kann der elektrische Entladungsstrom vorzugsweise durch einen Kanal geführt werden, welcher zwei Punkte jedes der Wellenausbreitungswege miteinander verbindet und längs einer Verschneidung zwischen einer ersten Ebene, die einen ersten Abschnitt des Wellenausbreitungsweges enthält, und einer zweiten Ebene, die

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einen zweiten Abschnitt des Wellenausbreitungsweges enthält, verläuft.

Im übrigen sind zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen Gegenstand der Unteransprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen. Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines Laserkreiselblockes der vorliegend angegebenen Art für eine einzige Achse,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Verstärkungsgewinn über der Frequenz aufgetragen ist, um die Wirkungsweise eines mit mehreren Frequenzen arbeitenden Laserkreisels gemäß Figur 1 zu erläutern,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines mit mehreren Frequenzen arbeitenden Laserkreisels der hier vorgeschlagenen Art,

Fig. 4 eine schematische Abbildung eines quadratisch

verlaufenden Resonanzhohlraumes eines Laserkreisels mit einem einzigen, selbstkompensierenden Gasentladungsweg,

Fig. 5 eine schematische Abbildung einer bevorzugten Form des längs eines Vierecks' verlaufenden Resonanzhohlraumes eines Laserkreisels mit selbstkompensierendem Gasentladungsweg,

Fig. 6A ein schematisches Schaltbild der Schaltung für die Gasentladung im Laserkreisel mit einer Spannungsquellen-Vorspannungsschaltung,

Fig. 6B ein Diagramm mit den Spannungs-/Stromkennlinien für die angestrebten und für die nicht angestrebten Gasentladungswege mit einer Belastungskennlinie zur Auswahl eines stabilen Betriebspunktes für den angestrebten Gasentladungsweg,

Fig. 7Α ein schematisches Schaltbild der Schaltung für die Erzeugung der Gasentladung in dem

Fig. 7B ein Diagramm mit den Spannungs-Stromkenn- >> " ,

linien für die angestrebten und die nicht * angestrebten Gasentladungswege mit einer Belastungskennlinie zur Auswahl eines sta--. bilen Betriebspunktes für den angestrebten Gasentladungsweg,

Fig. 8 eine schematische Darstellung eines längs

eines Quadrates verlaufenden Wellenausbreitungsweges für einen Laserkreisel mit zwei Anoden zur Erzeugung von zwei Gasentladungswegen nach dem Stande der Technik,

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung eines Laserkreiselblockes mit Ringlasern für zwei Achsen, wobei die Ringlaser miteinander in Verbindung stehen, so daß zur Anregung ein einziger Gasentladungsstrom von einer einzigen Anode zu einer einzigen Kathode verwendet werden kann und

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung von zwei getrennten in sich geschlossenen Wellenausbreitungswegen von Ringlasern in demselben optischen Block, wobei die Wellenausbreitungswege jeweils nicht in einer Ebene liegen.

Zunächst sei auf Figur 1 Bezug genommen. Hier ist ein optischer Ringlaserblock mit 10 bezeichnet und enthält eine Anode 12 innerhalb einer Anodenbohrung 13, ferner eine Kathode 14 innerhalb einer Kathodenkammer 17, eine Kathodenbohrung 15 und einen in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg mit den Abschnitten 16A, 16B, 16C, 16D, 16E und 16F, wobei sich zwischen den Wegabschnitten die Reflektoren 18, 20, 22 und 24 befinden. Ein Verbindungskanal 28 zwischen den Reflektoren 20 und 24 in Serienschaltung mit

den Abschnitten 16B und 16E des Wellenausbreitungsweges ermöglicht die Bildung eines einzigen, selbstkompensierenden Gasentladungsweges zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 für ein Laser-Verstärkermedium 26, welches ein Helium-Neon-Gemisch aufweist. Vorzugsweise wird eine Mischung von ^He, ²⁰Ne und ²²Ne in einem Verhältnis von 8 : 0,53 : 0,47 verwendet, doch können auch andere Gasmischungen eingesetzt werden. Die Kathodenboh rung 15 bildet einen Verbindungsweg zwischen den Abschnitten 16B und 16C des Wellenausbreitungsweges und der Kathode 14. Die Anodenkammer oder Anodenbohrung 13 bildet eine Verbindung zwischen den Abschnitten 16E und 16F des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges und der Anode 12.

Der Laserkreiselblock 10 ist vorzugsweise aus einem Werkstoff gefertigt, welcher einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt, beispielsweise aus Glaskeramik, so daß die Einflüsse von Temperaturänderungen auf das Laserkreiselsystem minimal gehalten werden. Ein im Handel erhältliches, geeignetes Material wird von der Firma Owens-Illinois Company unter der Bezeichnung "Cer-Vit", C-101 oder von der Firma Schott unter der Bezeichnung "Zerodur" auf den Markt gebracht.

Ein Laserkreiselblock für eine bevorzugte Ausführungsform des hier beschriebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers arbeitet mit vier Wellen oder Frequenzen gemäß den Grundsätzen, wie sie in den zuvor erwähnten US-Patentschriften beschrieben sind. Die elektromagnetischen Laserwellen breiten sich längs des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges mit den Abschnitten 16A, 16B, 16C, 16D, 16E und 16F aus. Figur 2 zeigt die Verstärkungsgewinnkurve eines Lasermediums, wobei die Lage der Frequenzen der vier Wellen eingezeichnet ist. Die Wellen mit den Frequenzen fi und f^ laufen im Uhrzeigersinn im Wellenausbreitungsweg um, während die Wellen mit den Frequenzen ±2 ^un<3 £■$ i^m Gegenuhrzeigersinn umlaufen. Sämtliche vier Wellen sind vorzugsweise zirkulär polarisiert, wobei die Wellen mit den Frequenzen f·^ und f2 linkssinnig zirkulär polarisiert sind, während die

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Wellen mit den Frequenzen fj und f^ rechtssinnig zirkulär polarisiert sind.

i Aus Figur 1 erkennt man, daß der in sich geschlossene Wellenaus- i breitungsweg des Lasers einen ersten Teil aufweist, der aus den ; Wegabschnitten 16A, 16E und 16F gebildet ist und in der XZ-Ebene gelegen ist und daß ein zweiter Teil des Ringlaserweges von den Wegabschnitten 16B, 16C und 16D gebildet ist und in der YZ-Ebene gelegen ist. Der Verbindungskanal 28 verläuft längs der Schnittlinie der beiden genannten Ebenen. Dieser nicht in einer Ebene verlaufende, in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg kann charakteristischerweise nur zirkulär polarisierte Wellen führen bzw. enthalten, ohne daß ein Kristallrotator verwendet wird. Die Anordnung der Reflektoren 18, 20, 22 und 24 innerhalb des aus den Abschnitten 16A bis 16F gebildeten, in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges bewirkt eine Phasenänderung, wodurch die Resonanzfrequenzen der Wellen geändert werden. Dies führt zu dem in Figur 2 dargestellten Ergebnis, wonach die Wellen mit linkssinniger zirkularer Polarisation, also die Wellen mit den Frequenzen fj und f2, eine Resonanzfrequenz besitzen, welche von der Resonanzfrequenz der rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen (fß und f^) verschieden ist. Die Wirkungsweise von Ringlasern mit in sich geschlossenem Wellenausbreitungsweg, welcher nicht in einer Ebene liegt, ist in der US-Patentschrift 4 110 045 beschrieben.

Es sei nun Figur 3 näher betrachtet. In dem zwischen den Reflektoren 18 und 20 gelegenen Abschnitt des Wellenausbreitungsweges befindet sich ein Faradayrotator 30. Dieses nichtreziprok arbeitende magnetooptische Gerät bewirkt eine Phasenverzögerungsvorspannung für Wellen des einen oder des anderen Richtungssinnes der zirkulären Polarisation, wobei diese Phasenverzögerung für Wellen, die im Uhrzeigersinn umlaufen, verschieden von derjenigen Phasenverzögerung ist, welche im Gegenuhrzeigersinn umlaufende Wellen entsprechender Polarisation erleiden. Die kombinierte Wirkung der Reflektoren 18 bis 24 und des Faradayrotators 30 bewirkt,

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daß in dem Ringlaser-Resonanzhohlraum die in Figur 2 eingezeich neten Frequenzen angeregt werden können. Es gibt jedoch auch noch j andere Möglichkeiten, um dieselbe Wirkung wie durch den Faraday- rotator, zu erzielen. Eine solche Einrichtung, welche den Zeeman-Effekt ausnützt, ist in der US-Patentschrift 4 229 106 beschrieben.

Der optische Resonanzhohlraum des Ringlasers mit den Abschnitten j 16A bis 16F ist gemäß Figur 3 mit äußeren elektronischen und optischen Einrichtungen des Ringlasers gekoppelt. Eine Hochspannungsquelle 34 liefert eine hohe negative Spannung an die Kathode 14 und eine weitere hohe negative Spannung an einen Treiber 38 für einen piezoelektrischen Wandler 31. Eine Entladungssteuerung 36, welche elektronische Schaltungen enthält, liegt in der Zuleitung zur Anode 12 und bewirkt eine Regelung des von der Anode zur kathode fließenden Stromes auf einen festen kontanten Wert. Je nach den optischen Verlusten innerhalb eines bestimmten Laserkreiselblockes benötigt dieser jeweils unterschiedliche Werte des Kathodenstromes.

Die Einrichtungen zur Steuerung der optischen Weglänge im Resonanzhohlraum sind ein rückgekoppeltes System, welches innerhalb des Resonanzhohlraums des Laserkreisels eine bestimmte optimale optische Weglänge aufrecht erhält. Das System enthält einen Detektor-Vorverstärker 42, eine Weglängensteuereinrichtung 40 und die Hochspannungs-Treiberschaltung 38 für den piezoelektrischen Wandler 31. Auf diesem piezoelektrischen Wandler ist der Reflektor 22 montiert, welcher zur Regelung der optischen Weglänge versendet wird. Der Hochspannungstreiber 38 betätigt den piezoelektrischen Wandler 31 durch eine angelegte Spannung im Bereich von 0 Volt bis 400 Volt. Da stabile Arbeitspunkte oder Schwingungsmoden bei optischen Weglängen in einer Abstufung von einer halben Wellenlänge des Laserlichtes auftreten, wird derjenige Schwingungsmodus als permanenter Arbeitspunkt gewählt, welcher am nächsten zur Mitte des dynamischen Bereiches des Wandlers gelegen ist. Der Detektor-Vorverstärker 42 trennt die von der Ausgangs-

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* 9 W te»· α,

optik 32 her empfangenen Wechselspannungssignale und Gleichspannungssignale. Die Gleichspannungssignale werden für die Regelung der optischen Weglänge im Resonanzhohlraum verwendet. Die Wechselspannungssignale sind Sinusschwingungen, welche den Ausgang des Laserkreisels darstellen. Diese Wechselspannungssignale werden einer Signalverarbeitungseinrichtung 44 zugeleitet, in welcher eine Umformung in digitale Impulsfolgen (f^-f2 und fß-f^) erfolgt, wobei ein Impuls jeweils einer Periode der eingegebenen Wechselspannung entspricht. Die Regelung der optischen Weglänge im Resonanzhohlraum ist beispielsweise in der US-Patentschrift 4 108 553 beschrieben.

Die Ausgangsoptik 32 leitet einen bestimmten Anteil jedes Wellenstrahles der im Resonanzhohlraum umlaufenden Wellen ab, um die beiden Ausgangssignale f^-f2 und ^z~^A ^{zu b}i^lden· Jedes dieser Ausgangssignale stellt die Differenzfrequenz zwischen den Wellen von Wellenpaaren mit jeweils gleichem Sinn der zirkulären Polarisation dar, welche sich in dem Resonanzhohlraum ausbreiten, wie aus Figur 2 zu ersehen ist. Der Ausgangsreflektor 18 besitzt auf seiner einen Seite einen durchlässigen Belag und auf seiner anderen Seite einen Belag zur Strahlteilung. Beide Beläge sind an sich bekannter Art und verwenden Viertelwellenschichten von TiO₉ und SiO₀. Der Belag zur Strahlteilung läßt die Hälfte des einfallenden Lichtes durch und reflektiert die andere Hälfte. Ein zurückreflektierendes Prisma dient zur Überlagerung der bei- · den Wellenstrahlen. Das rechtwinklige Prisma ist aus geschmolzenem Quarz hergestellt und besitzt versilberte reflektierende Flächen. Zwischen dem Silber und dem geschmolzenen Quarz ist ein dielektrischer Belag vorgesehen, um bei der Reflexion minimale Phasenfehler einzuführen. Eine Viertelwellenplatte und daran anschließende Polarisationsplatten dienen zur Trennung der in jedem Strahl enthaltenen vier Frequenzen. Ein Keil ist zwischen dem zurückreflektierenden Prisma und der Viertelwellenplatte vorgesehen, um den jeweils gewünschten Einfallswinkel zu erhalten. Ein vor eine Photodiodenanordnung gesetztes Deckglas, welches auf einer Seite einen Antireflexionsbelag aufweist und

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eine Photodiodenanordnung vervollständigen die Ausgangsoptik 32. Die verschiedenen Teil«sind an ihren Grenzflächen mittels eines optischen Zementes, welcher unter Verwendung von ultraviolettem Licht ausgehärtet ist, zusammengekittet, wobei auf minimale Reflexionen an den Grenzflächen geachtet wird. Einzelheiten der Ausgangsoptik lassen sich der US-Patentschrift 4 141 651 entnehmen.

Das Streuverhalten des Laser-Verstärkermediums beeinflußt das Betriebsverhalten eines Laserkreisels durch statische Effekte und durch Effekte aufgrund einer Bewegung des Verstärkermediums. Statische Einflüsse auf die Regelung der optischen Weglänge im Resonanzhohlraum und die Einflüsse der Temperatur auf die Frequenzvorspannung im Laserkreisel aufgrund von Dispersion können durch geeignete Wahl einer Neonisotopmischung und durch Wahl eines Betriebspunktes einer Servoregelung beseitigt werden, welche der Weglängenregelung hinsichtlich Intensitätsfehlanpassung zugeordnet ist. Der wesentlichste Einfluß beruht auf der Bewegung des Verstärkermediums und wird durch die gleichspannungsgezündete Gasentladung im Helium-Neon-Gemisch verursacht, wodurch Frequenzverschiebungen der Laser-Resonanzfrequenzen herbeigeführt werden, welche als Fresnel-Fizeau-Verschiebung bezeichnet werden. Dieser Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekt beruht auf der Erscheinung der Langmuir-Strömung, bei welcher die schweren Ionen in einem Plasma stärker an die Wände einer Gasentladungsröhre angekoppelt sind als die Elektronen, so daß ein Gasstrom entlang der Mitte der Röhre in Richtung auf die Kathode hin und eine Rückströmung längs der Wände in der entgegengesetzten Richtung entsteht.

Bei dem vorliegend angegebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser oder Laserkreisel ist nun ein zusätzlicher Weg oder Kanal 28 vorgesehen, welcher bereits im Zusammenhang mit Figur 1 erwähnt wurde und welcher sich derart durch den Laserkreiselblock 10 erstreckt, daß ein niedrigen Widerstand aufweisender, selbst kompensierender Gasentladungsstrompfad entsteht, welcher

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to * ν w

als Z-Strompfad mit den Abschnitten 16E, 28 und 16B zu bezeichnen ist. Der Z-Strompfad enthält also die Abschnitte 16B und 16E des in sich geschlossenen Laser-Wellenausbreitungsweges in Serienschaltung mit dem Kanal 28. Aus Figur 3 ist zu ersehen, daß der Z-Strompfad für einen einzigen elektrischen Entladungsstrom I einen Strömungsweg bildet, welcher mit Bezug auf die Laserwellen einmal in derselben Richtung und einmal in entgegengesetzter Richtung durchflossen wird, so daß es zu einer Auslöschung des Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffektes kommt.

Aus Figur 4 entnimmt man, daß drei mögliche Entladungsstrompfade elektrisch parallel zwischen die Anode 12 und die Kathode 14 geschaltet sind, wenn man die quadratische Gestalt des Laserkreisels gemäß Figur 4 zugrunde legt. Es handelt sich um die Strompfade BCE, AGF und ADE. Für die Bedingungen C=G und A=E gilt BCE = AGF und die elektrischen Eigenschaften des Weges BCE sind dieselben wie diejenigen des Weges AGF. Die Entladung muß nun auf dem gewünschten Pfad ADE stattfinden und darf nicht auf einem unerwünschten Wege BCE oder AGF verlaufen. Wenn während der Einleitung der Entladung nur einer der genanten Strompfade elektrisch zusammenbricht, dann kann eine Stabilisierung dieses Strompfades durch eine entsprechende Auslegung einer äußeren Vorspannungsschaltung erreicht werden. Wenn sowohl der gewünschte Strompfad als auch ein unerwünschter Strompfad zusammenbrechen, dann kann der den niedrigeren Widerstand aufweisende Strompfad durch die äußere Vorspannungsschaltung ausgewählt werden, vorausgesetzt, daß die Widerstände der Strompfade ausreichend unterschiedlich sind. Diese Forderung bezüglich der Widerstände kann durch geeignete Wahl der Geometrie des gewünschten Entladungsstrompfades sowie durch Auswahl der Durchmesser . der den Strompfad bildenden Bohrung und der Längen erfüllt werden.

Die Forderung bezüglich des Widerstandes kann unter den folgenden Bedingungen erfüllt werden, wobei r einen Gewichtungskoeffizienten abhängig von der Geometrie des Strompfadabschnittes D

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in Relation zu dem Abschnitt C bedeutet und den Widerstand des Strompfadabschnittes D relativ zum Widerstand des Abschnittes der Quadratseite C gewichtet, so daß C ~ rD gilt. Die Bedingungen werden erfüllt für einen Widerstand des gewünschten Gasentladungsstrompfades, welcher niedriger ist als der Widerstand eines unerwünschten Gasentladungsstrompfades wenn folgendes gilt:

A + rD + E <B + C + E und mit

C = A + B oder B=C-A ergibt sich

A+rD+E <C-A+c+E oder

A+rD+E < 2C + E - A; wenn nun

A=E, dann gilt: 2A + rD < 2C

Ist D so ausgebildet, daß r

r = 1/ f?

und nimmt man eine Substitution von r und D vor, wobei D = C/r, so erhält man:

2A + ¹Z (T ( fl C) < 2C
2A + C < 2C

Man erhält dann die Grenzbedingung 2A=C.

Figur 5 zeigt schematisch eine rautenartige Laserkreiselkonfiguration. Die Länge des Gasentladungsweges, der die zuvor behandelte, gewünschte Bedingung erfüllt, läßt sich folgendermaßen errechnen;

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A+rD + E <B+D + E und mit

A=E und B=E-A erhält man

A+rD + ACC-A + C + E

2A + rD <. 2C; ist nun

r = ¹Z |fT* und D = C/r, so ergibt sich

2A + 1/ ^2 ( ITT¹C) < 2C bzw. als Grenzbedingung

2A = C

Dies ist dieselbe Grenzbedingung, welche zuvor für die quadratische Laserkreiselkonfiguration gemäß Figur 4 erhalten wurde. Bei der Anordnung nach Figur 5 kann jedoch die Strecke D kürzer gemacht werden als eine Seite C, so daß der Widerstand des Kanales D gleich oder kleiner als der Widerstand des Wegabschnittes C gemacht werden kann, derart, daß es möglich wird, die Länge der Wegabschnitte A und E zu vergrößern, um den Lasergewinn zu vergrößern, während gleichzeitig ein Gesamtwiderstand aufrecht erhalten wird, welcher geringer ist als der Widerstand für die Gasentladung auf den unerwünschten Strompfaden.

Eine Vorspannungsschaltung für den Gasentladungsstrompfad ist in Figur 6A dargestellt. Die Spannungsquellen-Vorspannungsschaltung 90 enthält eine Spannungsquelle Vj₃ in Serienschaltung mit einer Stromblockierungsdiode Dl und einem Vorspannungswiderstand Rj₃, der an die Anode 12 angeschlossen ist. Eine Startspannungsquelle oder Zündspannungsquelle V_s liegt in Serie mit einem Kontakt eines Schalters S-^, dessen anderer Kontakt an eine Stromblockierungsdiode D₂ in Serie mit einem Widerstand R_g angeschlossen ist. Die andere Klemme der Widerstands R₃ ist ebenfalls an die Diode 12 gelegt. Die Kathode 14 der Gasentladungsstrecke hat Verbindung zu den negativen Klemmen der beiden Spannungsquellen Vj₃ und Vg. Zwei mögliche Entladungsstrompfade sind in Figur 6A mit A und B bezeichnet und verlaufen zwischen der Anode 12 und der Kathode 14. Die Entladungsstrompfade führen die ihnen jeweils zugeordneten Ströme I_A und I_ß. A stellt den erwünschten Strompfad der Gasentladung dar, während B der unerwünschte Strompfad der Gasentladung ist. Die geometrischen Ver-

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hältnisse für die Gasentladungsstrompfade sind so, daß ihre jeweiligen Spannungs-/Stromkennlinien die in Figur 6B gezeichnete Gestalt haben.

Es sei nun wieder Figur 6A betrachtet. Wenn keine Entladung stattfindet, also vor dem Zeitpunkt t = 0 und unter der Annahme, daß die Zündspannungsquelle oder Startspannungsquelle V_s groß genug ausgelegt ist, um einen elektrischen Zusammenbruch beider Strompfade A und B zu bewirken, dann zünden zum Zeitpunkt t = beim Schließen des Schalters S^ beide Strompfade und der resultierende Entladungsstrom wird von den beiden Spannungsquellen V_s und V]₃ gespeist. Beide Entladungsstrompfade A und B werden mit derselben Entiadungsspannung V^ betrieben, wobei I_b + I₃ = I^ + Ig. Wenn der Schalter geöffnet wird, so wird der erwünschte Entladungsstrompfad durch die Vorspannungs-Spannungsquelle V_b sowie über den Vorspannungswiderstand R_b in Betrieb gehalten, wenn die Belastungskennlinie für die Vorspannungsschaltung die Spannungs-/Strom-Kennlinie für den Strompfad A gemäß Figur 6B in einem stabilen Betriebspunkt schneidet. Zwei Spannungs-/ Strom-Kennlinien sind in Figur 6B eingezeichnet, nämlich eine für den Strompfad A und eine zweite für den Strompfad B. Ausserdem zeigt Figur 6B die Belastungskennlinien für die Zündschaltung und für die Vorspannungsschaltung. Das Erfordernis der Stabilität der resultierenden Schaltung besteht darin, daß die Vorspannungs-Belastungskennlinie die Spannungs-/Strom-Kennlinie an einem Punkt schneiden muß, für den gilt:

R_b + de > 0
di

worin de/di die Steigung der Spannungs-/Strom-Kennlinie am Schnittpunkt ist. In der Schaltung nach Figur 6A ergibt sich eine stabile Entladung für den Betriebspunkt P in Figur 6B, wobei der Strom der Gasentladung i und der Spannungsabfall an der Gasentladungsstrecke e beträgt. Man erkennt, daß kein Schnittpunkt zwischen der Belastungskennlinie der Vorspannungs-

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schaltung und der Spannungs-/Strom-Kennlinie der Entladungsstrecke B zustande kommt. Auf diesem unerwünschten Strompfad wird daher keine Entladung aufrecht erhalten.

Die eine Spannungsquelle enthaltende Vorspannungsschaltung nach Figur 6A kann durch eine eine Stromquelle enthaltende Vorspannungsschaltung 92 gemäß Figur 7A ersetzt werden. Eine Stromquellen-Vorspannungsschaltung ist für einen Laserkreisel vorzuziehen, um den Stromfluß durch das Lasermedium regeln zu können. Die Vorspannungsschaltung enthält eine Spannungsquelle Vj₃ in Serienschaltung mit einer Parallelschaltung aus einer Zenerdiode V₂, und einer nichtidealen Stromquelle 94, welche beim Betrieb innerhalb ihres dynamischen Bereiches einen kontanten Strom I erzeugt. Die Zenerdiode V_z begrenzt die Maximalspannung an der Stromquelle auf einen sicheren Wert. Die Diode D·^ in Serienschaltung mit der Stromquelle dient zur Blockierung eines Rückstromes. Die Spannungsquelle V₃ in Serienschaltung mit den Kontaktstücken des Schalters S·^ und dem Widerstand R_g liefert die Startspannung und Zündspannung für die Gasentladungsstrecke. Die Diode D^, welche in Reihe zu dem Widerstand R_g liegt, ist eine weitere Sperrdiode zum Blockieren eines Rückstromes und der Widerstand Rj₃ dient als Vorspannwiderstand zur Erzeugung der richtigen Betriebs-Belastungskennlinie. Der dynamische Bereich der Stromquellen-Vorspannungsschaltung 92 ist, wie in Figur 7B eingezeichnet, V-i -V^' ^Jensei^ts des dynamischen Bereiches der Stromquelle, d. h. für eine Spannung größer als V^ oder kleiner als V2, verhält sich die Vorspannungsschaltung wie eine Spannungsquelle und kann durch eine Spannung angenähert werden, welche in Serie zu dem Vorspannungswiderstand liegt. Die Vorspannungsschaltung gemäß Figur 7A liefert einen stabilen Betriebspunkt, welcher in Figur 7B bei O eingezeichnet ist, für den gewünschten Gasentladungsstrompfad A nach dem Startvorgang.

Figur 8 läßt eine Anordnung bekannter Art zur Auslöschung der Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekte mit aufgespaltenem Gasent-

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ladungsweg erkennen, wobei zwei Anoden 60 und 62 und eine Kathode 64 verwendet werden. Es ist eine präzise elektronisch gesteuerte Stromquelle zur Aufrechterhaltung der Gleichheit der elektrischen Entladungsströme I_A·^ und I_A2 in jedem Strompfad zwischen je einer Anode und der Kathode erforderlich. Diese Ströme müssen genauestens über den jeweiligen Temperaturbereich hinweg gleichgehalten werden. Die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Lichtwellen treffen auf beide Gasströmungen, welche von den Entladungsströmen I_A^ und I_A2 verursacht werden. Da die von den Entladungsströmen verursachte Strömung in dem einen Gasentladungsstrompfad zwischen Anode und Kathode entgegengesetzt zu der Richtung der Strömung in dem anderen Gasentladungsstrompfad zwischen der jeweils anderen Anode und der Kathode orientiert ist, wenn man dies auf die Umlaufrichtung der Lichtwellen bezieht, kann eine Auslöschung des Fresnel-Pizeau-Effektes aufgrund der einen Strömung durch den Effekt aufgrund der anderen Strömung erfolgen. Bei dem hier angegebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser wird jedoch die angestrebte Korrektur erreicht, ohne daß zwei genauestens aufeinander abgestimmte Entladungsströme erzeugt werden müssen, wobei nur eine Hälfte des gesamten Kathodenstromes (I_A^ + I_A2) notwendig ist, um denselben optischen Verstärkungsgewinn bei dem Laserkreisel oder Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser zu erzielen. Wie aus Figur 5 hervorgeht, ist bei dem hier angegebenen Laserkreisel nur der Z-Strompfad mit den Abschnitten A, D und E vorhanden. Die vorliegend erzielte Verringerung des Kathodenstromes bewirkt eine Verringerung der Größe der Kathodenfläche auf die Hälfte, so daß kleinere Kathoden und damit eine kleinere optische Anordnung des gesamten Laserkreisels möglich sind.

Figur 9 verdeutlicht, daß ein selbstkompensierender Z-Entladungsstrompfad auch bei Laserkreiselsystemen für mehrere Achsen angewendet werden kann und zu einer Reduzierung der Zahl der erforderlichen Elektroden führt. Beispielsweise sind in einem innerhalb eines einzigen Blockes 70 untergebrachten La-

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serkreisel für zwei Achsen bei gefalteter Rautenkonfiguration der Wellenausbreitungswege nur eine einzige Anode und eine einzige Kathode vorgesehen. Ein erster Ringlaser mit den Resonanz- hohlraumabschnitten 16A bis 16F und dem Z-Entladungsstrompfad 16E, 28, 16A gemäß Figur 1 ist in dem Block 70 in der aus Figur 9 ersichtlichen Weise zusammen mit einem zweiten Ringlaser untergebracht, welcher die Resonanzhohlraumabschnitte 8OA, 8OB, 8OC, 8OD, 8OE und 8OF aufweist und ebenfalls einen Z-Gasentladungsstrompfad enthält, welcher durch die Abschnitte 8OB und 8OE in Serie mit dem Verbindungskanal 82 gebildet ist. Ein Laser-Verstärkermedium 26 in Form einer Helium-Neon-Gasmischung der zuvor beschriebenen Art ist in die Wellenausbreitungswege der beiden Ringlaser eingefüllt. Der Block 70, in welchem sowohl der erste als auch der zweite Ringlaser oder Laserkreisel untergebracht sind, enthält nur eine Anode 84 in einer Anodenbohrung 85 sowie eine einzige Kathode 14 in einer Kathodenkammer 17 in Zuordnung zu einer Kathodenbohrung 15. Eine zusätzliche Bohrung 86 bildet einen Verbindungskanal zwischen dem erstgenannten Ringlaser und dem zweitgenannten Ringlaser, so daß ein einziger Entladungsstrom von der Anode 84 aus über die Entladungspfadabschnitte 85, 8OE, 82, 8OB, 86, 16E, 28, 16B und 15 zu der Kathode 14 fließen kann. Der zweite Ringlaser mit den Resonanzraumabschnitten 8OA bis 8OF enthält außerdem vier Reflektoren 72, 74, 76 und 78, um die Laserwellen in dem zweiten Resonanzhohlraum rundum zu führen. Auch ist eine magnetooptische Einrichtung, beispielsweise ein Faraday-Rotator (nicht dargestellt) vorgesehen, wie dies bereits für den ersten Ringlaser beschrieben wurde. Der Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekt wird in dem zweiten Ringlaser 80A bis 8OF aufgrund eines Verlaufes des.Entladungsströmes von.der Anode 84 zur Kathode 14 in einer relativ zur Ausbreitungsrichtung der umlaufenden Wellen jeweils in den Abschnitten 8OE und 8OB entgegengesetzten Richtungen erreicht, wobei der Gasentladungsstrom ausreicht, um den optischen Verstärkungsgewinn in jedem Ringlaser des für zwei Achsen bestimmten Ringlasersystems sicherzustellen. Ein wichtiger Vorteil der Verwendung eines einzigen Gasentladungs-

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32000AO

Strompfades innerhalb eines für mehrere Achsen bestimmten Ringlasersystems ist es, daß mindestens zwei Ringlaser in einem Ringlaserblock untergebracht werden können, welcher dieselbe Größe besitzt wie ein Ringlaserblock für einen Ringlaser, der einer einzigen Achse zugeordnet ist und daß dieselbe Kathodengröße verwendet werden kann, wie sie für einen Ringlaserblock, der einer Drehachse zugeordnet ist, eingesetzt wird.

Figur 10 zeigt einen Ringlaserblock 100, welcher zwei voneinander unabhängige, jeweils einen nicht in einer Ebene liegenden Wellenausbreitungsweg aufweisende Laserkreisel enthält. Der Block 100 ist genauso ausgebildet wie der in Figur 1 gezeigte Block, welcher nur einen Ringlaser mit den Abschnitten 16A bis 16F enthält, doch ist bei dem System nach Figur 10 ein zweiter unabhängiger Ringlaser mit den Wellenausbreitungswegabschnitten HOA bis HOF ebenfalls in dem Block 100 untergebracht und enthält die vier Reflektoren 102, 104, 106 und 108, ferner eine Anode 114, eine Anodenbohrung 116, eine Kathode 118 und eine zugehörige Kathodenbohrung 120. Weiter ist auch bei dem zweiten Ringlaser ein Z-förmiger Entladungsstrompfad zwischen der Anode 114 und der Kathode 118 vorgesehen, welcher die Wegabschnitte HOB und HOE in Serie mit dem Verbindungskanal 112 enthält. Ein Laser-Verstärkermedium 122 ist -in den zweiten Ringlaser eingefüllt und enthält eine Helium-Neon-Gasmischung der zuvor beschriebenen Art.

Der Betrieb mit mehreren Frequenzen findet bei dem Ringlasersystem nach Figur 10 in derselben Weise statt, wie dies zuvor für den einzelnen Ringlaser gemäß Figur 1 beschrieben wurde. Zwar ist solches in Figur 10 nicht dargestellt, doch bildet ein nichtreziprokes magnetooptisches Element, beispielsweise ein Faradayrotator 30, wie er in Figur 3 gezeigt und oben erwähnt wurde, ein notwendiges Bestandteil in jedem der in sich geschlossenen Wellenausbreitungswege der einzelnen Laser des Systems nach Figur 10, wie dies für den Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Ein Vorteil eines Laserkreiselblockes mit

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co

zwei voneinander unabhängigen Ringlasern gemäß Figur 10 gegenüber einem Laserkreiselblock mit zwei Ringlasern, die miteinander gekoppelt sind, um einen einzigen Gasentladungsstrompfad mit nur einer Anode und einer Kathode zu erhalten, wie dies in Figur 9 gezeigt ist, besteht darin, daß bei dem System nach Figur 10 eine größere Sicherheit und Zuverlässigkeit wegen der
mehrfach vorhandenen Bauelemente erzielt wird.

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Leerseite

Claims

Patentansprüche

IJ Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit mindestens einem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg (16A bis 16F, 8OA bis 8OF, HOA bis HOF), in welchem Wellen jeweils unterschiedlicher Frequenz sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten und mit einer Anregungseinrichtung (12, 14) zur Anregung des Laser-Verstärkermediums (26, 122) durch eine in dem Laser-Verstärkermedium stattfindende elektrische Entladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung so ausgebildet ist, daß nur ein bzw. jeweils ein einziger Strompfad der elektrischen Entladung wirksam ist und daß der Strompfad (16B, 28, 16E bzw. 8OE, 82, 8OB, 86, 16E, 28, 16B) so geführt ist, daß der einzige Entladungsstrom in einem bestimmten Abschnitt des in sich geschlossenen Ausbreitungsweges bzw. jedes in sich geschlossenen Ausbreitungsweges einer umlaufenden Welle in ihrer Ausbreitungsrichtung folgt und in einem anderen Abschnitt des in sich geschlossenen Ausbreitungsweges dieser Welle entgegenfließt.
2. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg durch zwischen Wegabschnitten gelegene Reflektoren (18, 20, 22, 24; 72, 74, 76, 78; 102, 104, 106, 108) bestimmt ist.
3. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung (12, 14) eine Anode (12) und eine Kathode (14) enthält, welche mit einer Vorspannungsquelle (90 bzw. 92) verbindbar sind.
4. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Verstärkermedium eine

Helium-Neon-Mischung enthält oder aus ihr besteht.
5. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des bzw. jedes in sich ge schlossenen Wellenausbreitungsweges in einer ersten Ebene und ein anderer Teil in einer die genannte Ebene schneidenden, zweiten Ebene gelegen ist.
6. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in der einen Ebene gelegene Teil des bzw. jedes in sich geschlossenen Ausbreitungsweges und der in der anderen Ebene gelegene Teil des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges jeweils gleiche Länge haben.
7. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungsstrompfad außer den genannten Abschnitten des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges einen bzw. jeweils einen Kanal (28 bzw. 82 bzw. 112) enthält, welcher zwei Punkte des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges miteinander verbindet.
8. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 7 und Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungskanal (28 bzw. 82 bzw. 112) längs der Schnittlinie zwischen den im Winkel zueinander stehenden Ebenen des in sich geschlossenen Ausbreitungsweges verläuft.
9. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg magnetooptische Einrichtungen (30) zur Einführung einer nichtreziproken frequenzmäßigen Vorspannung der in entgegengesetzter Richtung zueinander sich ausbreitenden elektromagnetischen Wellen enthält.
10. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der in sich geschlossene Wellenaus-

breitungsweg bzw. die in sich geschlossenen Wellenausbreitungs wege in einem einheitlichen Block {10 bzw. 70 bzw. 100) unter gebracht ist bzw. sind.
11. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 9 oder 10 und/oder Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strompfad zur Anregung des Laser-Verstärkermediums (26) in Serie zwischen der Kathode (14) und der Anode (12) einen in der erstgenannten Ebene
des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges gelegenen Abschnitt (16E) dieses Weges, den genannten Verbindungskanal (28) längs der Verschneidungslinie zwischen den genannten Ebenen, sowie einen zweiten Abschnitt (16B) des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges in der zweitgenannten Ebene enthält.
12. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis mit mindestens zwei in sich geschlossenen Wellenausbreitungswegen (16A bis 16F, 8OA bis 80F), gekennzeichnet durch einen Koppelkanal (86) zwischen den beiden in sich geschlossenen Wellenausbreitungswegen, über welchen der einzige Strompfad für den
Entladungsstrom zur Anregung des Laser-Verstärkermediums derart geführt ist, daß dieser einzige, zwischen einer Kathode und
einer Anode verlaufende Strompfad zur Anregung in beiden in
sich geschlos.senen Wellenausbreitungswegen dient (Figur 9).