DE3200040C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeits­ messer mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser dieser Art sind aus der deutschen Offenlegungsschrift 29 00 12 bekannt. Sie ent­ halten eine Anordnung mit mehreren Kathoden- und Anodenelektro­ den zur Anregung des gasförmigen Laser-Verstärkermediums. Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Beseitigung von Meßfehlern, welche auf einer nicht gewünschten Beeinflussung der Frequenzen der sich im Ringlaser ausbreitenden elektro­ magnetischen Wellen beruhen.

Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser oder Laserkreisel arbeiten im allgemeinen mit zwei oder mehreren in entgegengesetzter Richtung längs eines in sich geschlossenen Ausbreitungsweges sich ausbreitenden Wellen, wobei der in sich geschlossene Aus­ breitungsweg ein Laser-Verstärkungsmedium enthält, so daß eine Drehung des Systems um eine Achse, welche den in sich ge­ schlossenen Ausbreitungsweg durchdringt, eine Veränderung des Weges für in entgegengesetzter Richtung umlaufende Wellen ab­ hängig von der Drehgeschwindigkeit bewirkt.

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 Drehge­ schwindigkeit simuliert. Diese Frequenzverschiebung wird als Freslen-Fizeau-Verschiebung bezeichnet, welche einer Ausgangs­ vorspannung des Drehgeschwindigkeitsmesser-Ausgangs entspricht.

Eine Helium-Neon-Gasentladungsstrecke innerhalb des Laser-Dreh­ geschwindigkeitsmessers stellt ein derartiges bewegtes Laserme­ dium das. Die Erscheinung einer Langmuir-Strömung, bei welcher die schweren Ionen im Plasma mit den Wänden der Gasentladungs­ röhre 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-Drehgeschwindigkeits messers auf.

Die Fresnel-Fizeau-Verschiebung ist eine der bereits früh erkann­ ten Fehlerquellen bei Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern mit zwei Frequenzen sowie auch mit einer höheren Zahl von Frequenzen. Es wurde bereits versucht, diesen Verschiebungseffekt zu unter­ drücken 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 Elek­ tronenströme in jeder Hälfe des aufgespalteten Entladungs­ weges bei entgegengesetztem Strömungsweg sicherzustellen. Die sich ausbreitenden, in Resonanz befindlichen Lichtquellen treffen auf Gasströmungen aufgrund der aufgespalteten Entla­ gungsströme 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-Drehgeschwindigkeits­ messers vor, um eine Modulation der Geschwindigkeit der Gasent­ ladungsströmung zu erzeugen, welche zu einer Auslöschung des Fizeau-Effektes führt. Diese Maßnahme macht jedoch beträcht­ liche elektronische Schaltungen außerhalb des optischen Wellen­ ausbreitungsweges des Ringlasers notwendig.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser der eingangs beschriebenen Art so auszugestalten, daß Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekte vermieden werden, ohne daß eine Mehrzahl von Anoden oder Kathoden der Anregungseinrichtung zur Anregung des Laser- Verstärkungsmediums und damit eine hohe Genauigkeit der Ein­ richtungen zur Erzeugung der elektrischen Entladung innerhalb des Laser-Verstärkermediums notwendig sind.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Patentanspruch 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Nachfolgend werden Aus­ führungsbeispiele unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es stellt dar:

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

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Verstärkungsgewinn über der Frequenz aufgetragen ist, um die Wir­ kungsweise eines mit mehreren Frequenzen arbei­ tenden Laserkreisels gemäß Fig. 1 zu erläutern,

Fig. 3 ein Blockschaltbild eines mit mehreren Frequen­ zen arbeitenden Laserkreisels der hier vorge­ schlagenen Art,

Fig. 4 eine schematische Abbildung eines quadratisch verlaufenden Resonanzhohlraumes eines Laserkrei­ sels mit einem einzigen, selbstkompensierenden Gasentladungsweg,

Fig. 5 eine schematische Abbildung einer bevorzugten Form des längs eines Vierecks verlaufenden Re­ sonanzhohlraumes eines Laserkreisels mit selbst­ kompensierendem 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 ange­ strebten Gasentladungswege mit einer Belastungs­ kennlinie zur Auswahl eines stabilen Betriebs­ punktes für den angestrebten Gasentladungsweg,

Fig. 7A ein schematisches Schaltbild der Schaltung für die Erzeugung der Gasentladung in dem Laserkreisel mit einer Stromquellen-Vor­ spannungsschaltung,

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 Wellenausbrei­ tungsweges für einen Laserkreisel mit zwei Anoden zur Erzeugung von zwei Gasentladungs­ wegen nach dem Stande der Technik,

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

Fig. 10 eine perspektivische Darstellung von zwei ge­ trennten in sich geschlossenen Wellenausbrei­ tungswegen von Ringlasern in demselben opti­ schen Block, wobei die Wellenausbreitungswege jeweils nicht in einer Ebene liegen.

Zunächst sei auf Fig. 1 Bezug genommen. Hier ist ein optischer Ringlaserblock mit 10 bezeichnet und enthält eine Anode 12 inner­ halb einer Anodenbohrung 13, ferner eine Kathode 14 innerhalb ei­ ner Kathodenkammer 17, eine Kathodenbohrung 15 und einen in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg mit den Abschnitten 16 A, 16 B, 16 C, 16 D, 16 E und 16 F, 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 16 B und 16 E des Wellenausbreitungsweges ermög­ licht die Bildung eines einzigen, selbstkompensierenden Gasent­ ladungsweges zwischen der Anode 12 und der Kathode 14 für ein Laser-Verstärkermedium 26, welches ein Helium-Neon-Gemisch auf­ weist. Vorzugsweise wird die Mischung von ³He, 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 16 B und 16 C des Wellenausbreitungsweges und der Kathode 14. Die Ano­ denkammer oder Anodenbohrung 13 bildet eine Verbindung zwischen den Abschnitten 16 E und 16 F des in sich geschlossenen Wellenaus­ breitungsweges und der Anode 12.

Der Laserkreiselblock 10 ist vorzugsweise aus einem Werkstoff gefertigt, welcher einen geringen thermischen Ausdehnungskoeffi­ zienten besitzt, beispielsweise aus Glaskeramik, so daß die Ein­ flüsse von Temperaturänderungen auf das Laserkreiselsystem mini­ mal gehalten werden. Ein im Handel erhältliches, geeignetes Ma­ terial wird von der Firma Owens-Illinois Company oder von der Firma Schott auf den Markt gebracht.

Ein Laserkreiselblock für eine bevorzugte Ausführungsform des hier beschriebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers arbei­ tet mit vier Wellen oder Frequenzen gemäß den Grundsätzen, wie sie z. B. in der US-Patentschrift 37 41 657 beschrieben sind. Die elektromagnetischen Laserwellen breiten sich längs des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges mit den Abschnitten 16 A, 16 B, 16 C, 16 D, 16 E und 16 F aus. Fig. 2 zeigt die Verstär­ kungsgewinnkurve eines Lasermediums, wobei die Lage der Frequen­ zen der vier Wellen eingezeichnet ist. Die Wellen mit den Fre­ quenzen f₁ und f₄ laufen im Uhrzeigersinn im Wellenausbreitungs­ weg um, während die Wellen mit den Frequenzen f₂ und f₃ im Ge­ genuhrzeigersinn umlaufen. Sämtliche vier Wellen sind vorzugs­ weise zirkular polarisiert, wobei die Wellen mit den Frequenzen f₁ und f₂ linkssinnig zirkula polarisiert sind, während die Wellen mit den Frequenzen f₃ und f₄ rechtssinnig zirkular pola­ risiert sind.

Aus Fig. 1 erkennt man, daß der in sich geschlossene Wellenaus­ breitungsweg des Lasers einen ersten Teil aufweist, der aus den Wegabschnitten 16 A, 16 E und 16 F gebildet ist und in der XZ-Ebene gelegen ist und daß ein zweiter Teil des Ringlaserweges von den Wegabschnitten 16 B, 16 C und 16 D gebildet ist und in der YZ-Ebene gelegen ist. Der Verbindungskanal 28 verläuft längs der Schnitt­ linie der beiden genannten Ebenen. Dieser nicht in einer Ebene verlaufende, in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg kann charakteristischerweise nur zirkular 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 16 A bis 16 F gebildeten, in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges bewirkt eine Phasenänderung, wodurch die Resonanzfrequenzen der Wellen geändert werden. Dies führt zu dem in Fig. 2 dargestellten Ergebnis, wonach die Wellen mit links­ sinniger zirkularer Polarisation, also die Wellen mit den Fre­ quenzen f₁ und f₂, eine Resonanzfrequenz besitzen, welche von der Resonanzfrequenz der rechtssinnig zirkular polarisierten Wellen (f₃ und f₄) verschieden ist. Die Wirkungsweise von Ring­ lasern mit in sich geschlossenem Wellenausbreitungsweg, welcher nicht in einer Ebene liegt, ist in der US-Patentschrift 41 10 045 beschrieben.

Es sei nun Fig. 3 näher betrachtet. In dem zwischen den Reflek­ toren 18 und 20 gelegenen Abschnitt des Wellenausbreitungsweges befindet sich ein Faradayrotator 30. Dieses nichtreziprok arbei­ tende Magnetooptische Gerät bewirkt eine Phasenverzögerungsvor­ spannung für Wellen des einen oder des anderen Richtungssinnes der zirkularen 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 Wir­ kung der Reflektoren 18 bis 24 und des Faradayrotators 30 bewirkt, daß in dem Ringlaser-Resonanzhohlraum die in Fig. 2 eingezeich­ neten Frequenzen angeregt werden können. Es gibt jedoch auch noch 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 42 29 106 beschrie­ ben.

Der optische Resonanzhohlraum des Ringlasers mit den Abschnitten 16 A bis 16 F ist gemäß Fig. 3 mit äußeren elektronischen und op­ tischen Einrichtungen des Ringlasers gekoppelt. Eine Hochspan­ nungsquelle 34 liefert eine hohe negative Spannung an die Katho­ de 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 Zulei­ tung zur Anode 12 und bewirkt eine Regelung des von der Anode zur Kathode fließenden Stromes auf einen festen konstanten Wert. Je nach den optischen Verlusten innerhalb eines bestimmten Laser­ kreiselblockes benötigt dieser jeweils unterschiedliche Werte des Kathodenstromes.

Die Einrichtungen zur Steuerung der optischen Weglänge im Reso­ nanzhohlraum sind ein rückgekoppeltes System, welches innerhalb des Resonanzhohlraums des Laserkreisels eine bestimmte optimale optische Weglänge aufrecht erhält. Das System enthält einen De­ tektor-Vorverstärker 42, eine Weglängensteuereinrichtung 40 und die Hochspannungs-Treiberschaltung 38 für den piezoelektrischen Wandler 31. Auf diesem piezoelektrischen Wandler ist der Reflek­ tor 22 montiert, welcher zur Regelung der optischen Weglänge ver­ wendet wird. Der Hochspannungstreiber 38 betätigt den piezoelek­ trischen Wandler 31 durch eine angelegte Spannung im Bereich von 0 Volt bis 400 Volt. Da stabile Arbeitspunkte oder Schwingungs­ moden bei optischen Weglängen in einer Abstufung von einer halben Wellenlänge des Laserlichtes auftreten, wird derjenige Schwin­ gungsmodus als permanenter Arbeitspunkt gewählt, welcher am näch­ sten zur Mitte des dynamischen Bereiches des Wandlers gelegen ist. Der Detektor-Vorverstärker 42 trennt die von der Ausgangs­ optik 32 her empfangenen Wechselspannungssignale und Gleichspan­ nungssignale. Die Gleichspannungssignale werden für die Regelung der optischen Weglänge im Resonanzhohlraum verwendet. Die Wech­ selspannungssignale sind Sinusschwingungen, welche den Augang des Laserkreisels darstellen. Diese Wechselspannungssignale wer­ den einer Signalverarbeitungseinrichtung 44 zugeleitet, in wel­ cher eine Umformung in digitale Impulsfolgen (f₁-f₂ und f₃-f₄) erfolgt, wobei ein Impuls jeweils einer Periode der eingege­ benen Wechselspannung entspricht. Die Regelung der optischen Weglänge im Resonanzhohlraum ist beispielsweise in der US-Patent­ schrift 41 08 553 beschrieben.

Die Ausgangsoptik 32 leitet einen bestimmten Anteil jedes Wel­ lenstrahles der im Resonanzhohlraum umlaufenden Wellen ab, um die beiden Ausgangssignale f₁-f₂ und f₃-f₄ zu bilden. Jedes dieser Ausgangssignale stellt die Differenzfrequenz zwischen den Wellen von Wellenpaaren mit jeweils gleichem Sinn der zirkularen Pola­ risation dar, welche sich in dem Resonanzhohlraum ausbreiten, wie aus Fig. 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 TiO₂ und SiO₂. 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 geschmolze­ nem Quarz hergestellt und besitzt versilberte reflektierende Flächen. Zwischen dem Silber und dem geschmolzenen Quarz ist ein dielektrischer Belag vorgesehen, um bei der Reflexion mini­ male Phasenfehler einzuführen. Eine Viertelwellenplatte und da­ ran anschließende Polarisationsplatten dienen zur Trennung der in jedem Strahl enthaltenen vier Frequenzen. Ein Keil ist zwi­ schen dem zurückreflektrierenden Prisma und der Viertelwellen­ platte vorgesehen, um den jeweils gewünschten Einfallswinkel zu erhalten. Ein vor eine Photodiodenanordnung gesetztes Deckglas, welches auf einer Seite einen Antireflexionsbelag aufweist und eine Photodiodenanordnung vervollständigen die Ausgangsoptik 32. Die verschiedenen Teile sind an ihren Grenzflächen mittels eines optischen Zementes, welcher unter Verwendung von ultraviolettem Licht ausgehärtet ist, zusammengekittet, wobei auf minimale Re­ flexionen an den Grenzflächen geachtet wird. Einzelheiten der Ausgangsoptik lassen sich der US-Patentschrift 41 41 651 ent­ nehmen.

Das Streuverhalten des Laser-Verstärkermediums beeinflußt das Be­ triebsverhalten eines Laserkreisels durch statische Effekte und durch Effekte aufgrund einer Bewegung des Verstärkermediums. Sta­ tische Einflüsse auf die Regelung der optischen Weglänge im Reso­ nanzhohlraum und die Einflüsse der Temperatur auf die Frequenz­ vorspannung im Laserkreisel aufgrund von Dispersion können durch geeignete Wahl einer Neonisotopmischung und durch Wahl eines Be­ triebspunktes einer Servoregelung beseitigt werden, welche der Weglängenregelung hinsichtlich Intensitätsfehlanpassung zugeord­ net ist. Der wesentlichste Einfluß beruht auf der Bewegung des Verstärkermediums und wird durch die gleichspannungsgezündete Gasentladung im Helium-Neon-Gemisch verursacht, wodurch Fre­ quenzverschiebungen der Laser-Resonanzfrequenzen herbeigeführt werden, welche als Fresnel-Fizeau-Verschiebung bezeichnet wer­ den.

Bei dem vorliegend angegebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeits­ messer oder Laserkreisel ist nun ein zusätzlicher Weg oder Ka­ nal 28 vorgesehen, welcher bereits im Zusammenhang mit Fig. 1 erwähnt wurde und welcher sich derart durch den Laserkreisel­ block 10 erstreckt, daß ein niedrigen Widerstand aufweisender, selbst kompensierender Gasentladungsstrompfad entsteht, welcher als Z-Strompfad mit den Abschnitten 16 E, 28 und 16 B zu bezeich­ nen ist. Der Z-Strompfad enthält also die Abschnitte 16 B und 16 E des in sich geschlossenen Laser-Wellenausbreitungsweges in Se­ rienschaltung mit dem Kanal 28. Aus Fig. 3 ist zu ersehen, daß der Z-Strompfad für einen einzigen elektrischen Entladungsstrom I einen Strömungsweg bildet, welcher mit Bezug auf die Laserwel­ len einmal in derselben Richtung und einmal in entgegengesetzter Richtung durchflossen wird, so daß es zu einer Auslöschung des Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffektes kommt.

Aus Fig. 4 entnimmt man, daß drei mögliche Entladungsstrompfade elektrisch parallel zwischen die Anode 12 und die Kathode 14 ge­ schaltet sind, wenn man die quadratische Gestalt des Laserkrei­ sels gemäß Fig. 4 zugrunde legt. Es handelt sich um die Strom­ pfade 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 ei­ nem unerwünschten Wege BCE oder AGF verlaufen. Wenn während der Einleitung der Entladung nur einer der genannten Strompfade elek­ trisch zusammenbricht, dann kann eine Stabilisierung dieses Strompfades durch eine entsprechende Auslegung einer äußeren Vorspannungsschaltung erreicht werden. Wenn sowohl der gewünsch­ te Strompfad als auch ein unerwünschter Strompfad zusammenbre­ chen, dann kann der den niedrigeren Widerstand aufweisende Strompfad durch die äußere Vorspannungsschaltung ausgewählt wer­ den, vorausgesetzt, daß die Widerstände der Strompfade ausrei­ chend unterschiedlich sind. Diese Forderung bezüglich der Wi­ derstände kann durch geeignete Wahl der Geometrie des gewünsch­ ten Entladungsstrompfades sowie durch Auswahl der Durchmesser der den Strompfad bildenden Bohrung und der Längen erfüllt wer­ den.

Die Forderung bezüglich des Widerstandes kann unter den folgen­ den Bedingungen erfüllt werden, wobei r einen Gewichtungskoeffi­ zienten abhängig von der Geometrie des Strompfadabschnittes D 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 Bedingun­ gen werden erfüllt für einen Widerstand des gewünschten Gasent­ ladungsstrompfades, 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 < 2 C + E - A;
wenn nun A = E, dann gilt: 2 A + rD < 2 C

Ist D so ausgebildet, daß r

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

Man erhält dann die Grenzbedingung 2 A=C.

Fig. 5 zeigt schematisch eine rautenartige Laserkreiselkonfi­ guration. Die Länge des Gasentladungsweges, der die zuvor behan­ delte, gewünschte Bedingung erfüllt, läßt sich folgendermaßen errechnen:

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

Eine Vorspannungsschaltung für den Gasentladungsstrompfad ist in Fig. 6A dargestellt. Die Spannungsquellen-Vorspannungsschal­ tung 90 enthält eine Spannungsquelle V _b in Serienschaltung mit einer Stromblockierungsdiode D₁ und einem Vorspannungswider­ stand R _b, der an die Anode 12 angeschlossen ist. Eine Startspan­ nungsquelle oder Zündspannungsquelle V _s liegt in Serie mit einem Kontakt eines Schalters S₁, dessen anderer Kontakt an eine Stromblockierungsdiode D₂ in Serie mit einem Widerstand R _s an­ geschlossen ist. Die andere Klemme des Widerstands R _s ist eben­ falls an die Diode 12 gelegt. Die Kathode 14 der Gasentladungs­ strecke hat Verbindung zu den negativen Klemmen der beiden Span­ nungsquellen V _b und V _s. Zwei mögliche Entladungsstrompfade sind in Fig. 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 _B. A stellt den er­ wünschten Strompfad der Gasentladung dar, während B der uner­ wünchte Strompfad der Gasentladung ist. Die geometrischen Ver­ hältnisse für die Gasentladungsstrompfade sind so, daß ihre je­ weiligen Spannungs-/Stromkennlinien die in Fig. 6B gezeichnete Gestalt haben.

Es sei nun wieder Fig. 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=0 beim Schließen des Schalters S₁ beide Strompfade und der resul­ tierende Entladungsstrom wird von den beiden Spannungsquellen V _s und V _b gespeist. Beide Entladungsstrompfade A und B werden mit derselben Entladungsspannung V _d betrieben, wobei I _b+I _s=I _A+I _B. 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 Beleuchtungskennlinie für die Vorspannungsschaltung die Spannungs-/Strom-Kennlinie für den Strompfad A gemäß Fig. 6B in einem stabilen Betriebspunkt schneidet. Zwei Spannungs-/ Strom-Kennlinien sind in Fig. 6B eingezeichnet, nämlich eine für den Strompfad A und eine zweite für den Strompfad B. Außerdem zeigt Fig. 6B die Belastungskennlinien für die Zünd­ schaltung 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:

worin de/di die Steigung der Spannungs-/Strom-Kennlinie am Schnittpunkt ist. In der Schaltung nach Fig. 6A ergibt sich eine stabile Entladung für den Betriebspunkt P in Fig. 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 schaltung und der Spannungs-/Strom-Kennlinie der Entladungs­ strecke B zustande kommt. Auf diesem unerwünschten Strompfad wird daher keine Entladung aufrecht erhalten.

Die eine Spannungsquelle enthaltende Vorspannungsschaltung 90 nach Fig. 6A kann durch eine eine Stromquelle enthaltende Vor­ spannungsschaltung 92 gemäß Fig. 7A ersetzt werden. Eine Strom­ quellen-Vorspannungsschaltung ist für einen Laserkreisel vorzu­ ziehen, um den Stromfluß durch das Lasermedium regeln zu können. Die Vorspannungsschaltung enthält eine Spannungsquelle V _b in Se­ rienschaltung mit einer Parallelschaltung aus einer Zenerdiode V _z und einer nichtidealen Stromquelle 94, welche beim Betrieb in­ nerhalb ihres dynamischen Bereiches einen konstanten Strom I _cs er­ zeugt. Die Zenerdiode V _z begrenzt die Maximalspannung an der Stromquelle auf einen sicheren Wert. Die Diode D₁ in Serien­ schaltung mit der Stromquelle dient zur Blockierung eines Rück­ stromes. Die Spannungsquelle V _s in Serienschaltung mit den Kon­ taktstücken des Schalters S₁ und dem Widerstand R _s liefert die Startspannung und Zündspannung für die Gasentladungsstrecke. Die Diode D₂, welche in Reihe zu dem Widerstand R _s liegt, ist eine weitere Sperrdiode zum Blockieren eines Rückstromes und der Widerstand R _b dient als Vorspannwiderstand zur Erzeugung der richtigen Betriebs-Belastungskennlinie. Der dynamische Be­ reich der Stromquellen-Vorspannungsschaltung 92 ist, wie in Fig. 7B eingezeichnet, V₁-V₂. Jenseits des dynamischen Be­ reiches der Stromquelle, d. h. für eine Spannung größer als V₁ oder kleiner als V₂, verhält sich die Vorspannungsschaltung wie eine Spannungsquelle und kann durch eine Spannung angenä­ hert werden, welche in Serie zu dem Vorspannungswiderstand liegt. Die Vorspannungsschaltung gemäß Fig. 7A liefert einen stabilen Betriebspunkt, welcher in Fig. 7B bei Q eingezeichnet ist, für den gewünschten Gasentladungsstrompfad A nach dem Startvorgang.

Fig. 8 läßt eine Anordnung bekannter Art zur Auslöschung der Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekte mit aufgespaltenem Gasent­ ladungsweg erkennen, wobei zwei Anoden 60 und 62 und eine Ka­ thode 64 verwendet werden. Es ist eine präzise elektronisch ge­ steuerte Stromquelle zur Aufrechterhaltung der Gleichheit der elektrischen Entladungsströme I _{A 1} und I _{A 2} 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 Ge­ genuhrzeigersinn umlaufenden Lichtwellen treffen auf beide Gas­ strömungen, welche von den Entladungsströmen I _{A 1} und I _{A 2} verur­ sacht werden. Da die von den Entladungsströmen verursachte Strö­ mung in dem einen Gasentladungsstrompfad zwischen Anode und Ka­ thode entgegengesetzt zu der Richtung der Strömung in dem ande­ ren Gasentladungsstrompfad zwischen der jeweils anderen Anode und der Kathode orientiert ist, wenn man dies auf die Umlauf­ richtung der Lichtwellen bezieht, kann eine Auslöschung des Fresnel-Fizeau-Effektes aufgrund der einen Strömung durch den Effekt aufgrund der anderen Strömung erfolgen. Bei dem hier an­ gegebenen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser wird jedoch die angestrebte Korrektur erreicht, ohne daß zwei genauestens auf­ einander abgestimmte Entladungsströme erzeugt werden müssen, wobei nur eine Hälfte des gesamten Kathodenstromes (I _{A 1}+I _{A 2}) notwendig ist, um denselben optischen Verstärkungsgewinn bei dem Laserkreisel oder Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser zu erzielen. Wie aus Fig. 5 hervorgeht, ist bei dem hier angege­ benen 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 Katho­ denfläche auf die Hälfte, so daß kleinere Kathoden und damit eine kleinere optische Anordnung des gesamten Laserkreisels möglich sind.

Fig. 9 verdeutlicht, daß ein selbstkompensierender Z-Entla­ dungsstrompfad auch bei Laserkreiselsystemen für mehrere Ach­ sen angewendet werden kann und zu einer Reduzierung der Zahl der erforderlichen Elektroden führt. Beispielsweise sind in einem innerhalb eines einzigen Blockes 70 untergebrachten La­ serkreisel für zwei Achsen bei gefalteter Rautenkonfiguration der Wellenausbreitungswege nur eine einzige Anode und eine ein­ zige Kathode vorgesehen. Ein erster Ringlaser mit den Resonanz­ hohlraumabschnitten 16 A bis 16 F und dem Z-Entladungsstrompfad 16 E, 28, 16 B gemäß Fig. 1 ist in dem Block 70 in der aus Fig. 9 ersichtlichen Weise zusammen mit einem zweiten Ringlaser untergebracht, welcher die Resonanzhohlraumabschnitte 80 A, 80 B, 80 C, 80 D, 80 E und 80 F aufweist und ebenfalls einen Z-Gasentla­ dungsstrompfad enthält, welcher durch die Abschnitte 80 B und 80 E in Serie mit dem Verbindungskanal 82 gebildet ist. Ein La­ ser-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 Anoden­ bohrung 85 sowie eine einzige Kathode 14 in einer Kathodenkam­ mer 17 in Zuordnung zu einer Kathodenbohrung 15. Eine zusätzliche Bohrung 86 bildet einen Verbindungskanal zwischen dem erst­ genannten Ringlaser und dem zweitgenannten Ringlaser, so daß ein einziger Entladungsstrom von der Anode 84 aus über die Ent­ ladungspfadabschanitte 85, 80 E, 82, 80 B, 86, 16 E, 28, 16 B und 15 zu der Kathode 14 fließen kann. Der zweite Ringlaser mit den Resonanzraumabschnitten 80 A bis 80 F enthält außerdem vier Re­ flektoren 72, 74, 76 und 78, um die Laserwellen in dem zweiten Resonanzhohlraum rundum zu führen. Auch ist eine magnetoopti­ sche Einrichtung, beispielsweise ein Faraday-Rotator (nicht dargestellt) vorgesehen, wie dies bereits für den ersten Ring­ laser beschrieben wurde. Der Fresnel-Fizeau-Verschiebungseffekt wird in dem zweiten Ringlaser 80 A bis 80 F aufgrund eines Ver­ laufes des Entladungsstromes von der Anode 84 zur Kathode 14 in einer relativ zur Ausbreitungsrichtung der umlaufenden Wel­ len jeweils in den Abschnitten 80 E und 80 B 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 strompfades innerhalb eines für mehrere Achsen bestimmten Ring­ lasersystems 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 Kathoden­ größe verwendet werden kann, wie sie für einen Ringlaserblock, der einer Drehachse zugeordnet ist, eingesetzt wird.

Fig. 10 zeigt einen Ringlaserblock 100, welcher zwei vonein­ ander unabhängige, jeweils einen nicht in einer Ebene liegende Wellenausbreitungsweg aufweisende Laserkreisel enthält. Der Block 100 ist genauso ausgebildet wie der in Fig. 1 gezeigte Block, welcher nur einen Ringlaser mit den Abschnitten 16 A bis 16 F enthält, doch ist bei dem System nach Fig. 10 ein zweiter unabhängiger Ringlaser mit den Wellenausbreitungswegabschnitten 110 A bis 110 F ebenfalls in dem Block 100 untergebracht und ent­ hält 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 110 B und 110 E in Serie mit dem Verbindungskanal 112 enthält. Ein Laser-Verstärkermedium 122 ist in den zweiten Ringlaser einge­ füllt und enthält eine Helium-Neon-Gasmischung der zuvor be­ schriebenen Art.

Der Betrieb mit mehreren Frequenzen findet bei dem Ringlaser­ system nach Fig. 10 in derselben Weise statt, wie dies zuvor für den einzelnen Ringlaser gemäß Fig. 1 beschrieben wurde. Zwar ist solches in Fig. 10 nicht dargestellt, doch bildet ein nichtreziprokes magnetooptisches Element, beispielsweise ein Faradayrotator 30, wie er in Fig. 3 gezeigt und oben erwähnt wurde, ein notwendiges Bestandteil in jedem der in sich ge­ schlossenen Wellenausbreitungswege der einzelnen Laser des Sy­ stems nach Fig. 10, wie dies für den Fachmann ohne weiteres verständlich ist. Ein Vorteil eines Laserkreiselblockes mit zwei voneinander unabhängigen Ringlasern gemäß Fig. 10 gegen­ über einem Laserkreiselblock mit zwei Ringlasern, die mitein­ ander gekoppelt sind, um einen einzigen Gasentladungsstrompfad mit nur einer Anode und einer Kathode zu erhalten, wie dies in Fig. 9 gezeigt ist, besteht darin, daß bei dem System nach Fig. 10 eine größere Sicherheit und Zuverlässigkeit wegen der mehrfach vorhandenen Bauelemente erzielt wird.

Claims (7)

1. Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit einem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg, in welchem zwei elek­ tromagnetische Ellen sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten, und mit einer Anregungseinrichtung zur Anregung des Laser-Verstärkermediums durch eine in dem Laser-Verstärkermedium stattfindende elektrische Entladung, dadurch gekennzeichnet, daß die Anregungseinrichtung nur eine Anode (12; 84; 114) und nur eine Kathode (14; 118) auf­ weist und so ausgebildet ist, daß nur ein einziger Strom­ pfad der elektrischen Entladung wirksam ist, daß der Ent­ ladungsstrompfad zwei gleich lange Abschnitte (16 B, 16 E; 80 B, 80 E; 110 B, 110 E) des in sich geschlossenen Wellenaus­ breitungsweges (16 A bis 16 F; 80 A bis 80 F; 110 A bis 110 F) sowie einen nicht im geschlossenen Wellenausbreitungsweg liegenden Kanal (28; 82; 112) enthält, der zwei Punkte des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges verbindet, und daß der Entladungsstrompfad (16 B, 28, 16 E; 80 B, 82, 80 E; 110 B, 112, 110 E) Z-förmig so geführt ist, daß der einzige Entladungsstrom in dem einen Abschnitt des in sich ge­ schlossenen Ausbreitungsweges einer umlaufenden Welle in ihrer Ausbreitungsrichtung folgt und in dem anderen Ab­ schnitt des in sich geschlossenen Ausbreitungsweges dieser Welle entgegenfließt.

2. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (12) und die Kathode (14) mit einer Vorspannungsquelle (90; 92) verbindbar sind.

3. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Laser-Verstärkermedium (26; 122) eine Helium-Neon-Mischung enthält oder aus ihr besteht.

4. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges in einer ersten Ebene und ein anderer Teil in einer die erste Ebene schnei­ denden, zweiten Ebene gelegen ist, daß der nicht im in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg liegende Kanal (28; 82; 112) längs der Schnittlinie zwischen den im Winkel zuein­ ander stehenden Ebenen des in sich geschlossenen Ausbrei­ tungsweges verläuft und daß der Strompfad zur Anregung des Laser-Verstärkermediums (26, 122) in Serie zwischen der Kathode (14) und der Anode (12) einen in der ersten Ebene des in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges gelegenen Abschnitt (16 E; 80 E; 110 E) dieses Weges, den Kanal (28, 82; 112) längs der Schnittlinie sowie einen in der zweiten Ebene gelegenen Abschnitt (16 B; 80 B; 110 B) des in sich ge­ schlossenen Wellenausbreitungsweges enthält.

5. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg magnetooptische Einrichtungen (30) zur Einführung einer nichtreziproken frequenzmäßigen Vorspannung der in entgegengesetzter Richtung zueinander sich ausbrei­ tenden elektromagnetischen Wellen enthält.

6. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der in sich geschlossene Wellenausbreitungsweg sowie der nicht im geschlossenen Wellenausbreitungsweg liegende Kanal (28; 82; 112) in einem einheitlichen Block (10; 70; 100) untergebracht sind.

7. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einem zweiten in sich geschlossenen Wellen­ ausbreitungsweg, gekennzeichnet durch einen Koppelkanal (86) zwischen den beiden in sich geschlossenen Wellen­ ausbreitungswegen (16 A bis 16 F, 80 A bis 80 F), über welchen der einzige Strompfad für den Entladungsstrom zur Anregung des Laser-Verstärkermediums (26) derart geführt ist, daß dieser einzige, zwischen einer Kathode (14) und einer Anode (84) verlaufende Strompfad zur Anregung in beiden in sich geschlossenen Wellenausbreitungswegen (16 A bis 16 F, 80 A bis 80 F) dient.