DE3217916C2

DE3217916C2 - Optisches System mit einem ein Verstärkermedium enthaltenden optischen Wellenausbreitungsweg, insbesondere Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE3217916C2
Application number: DE3217916A
Authority: DE
Inventors: Michael S Perlmutter; Kenneth H Braun
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1995-04-20
Anticipated expiration: 2002-05-13
Also published as: FR2506451A1; CA1201190A; NL185687B; GB2099178A; DK164412B; IT1147973B; SE451889B; IT8248428A0; DK164412C; NL185687C; AU553685B2; AU5703086A; BE893254A; NL8202002A; DE3217916A1; JPS57210681A; US4519708A; CH661154A5; FR2506451B1; GB2099178B

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Patentanspruch 1. Optische Systeme dieser Art sind aus der deutschen Offenlegungs schrift 2400346 bekannt. Zum besseren Verständnis der vor liegenden Erfindung seien folgende allgemeine Betrachtungen vorausgeschickt:

Bei einem gegenwärtig bekannten und bewährten Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmesser werden vier Wellen angeregt, welche in zwei Paaren auftreten, die sich jeweils in zuein ander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten. Systeme die ser Art sind in den US-Patentschriften 3 741 657, 3 854 819 und 4 006 989 beschrieben. Bei Lasersystemen dieser Art be sitzen die vier Wellen jeweils zirkulare Polarisation. Das Wellenpaar, welches sich im Uhrzeigersinn ausbreitet, ent hält ebenso wie das Wellenpaar, das sich im Gegenuhrzeiger sinn ausbreitet, eine linkssinnig zirkular polarisierte und eine rechtssinnig zirkular polarisierte Welle. Der Vierfre quenz-Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser bietet die Mög lichkeit, das frequenzmäßige Einrasten oder das Problem des Lock-in zu vermeiden, welches bei allen herkömmlichen Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern auftritt, die nur mit zwei Frequenzen arbeiten. Das Frequenzeinrasten oder der Lock-in-Effekt tritt auf, wenn zwei sich in entgegengesetz ter Richtung zueinander ausbreitende Wellen im Resonanz hohlraum, welche an sich geringfügig unterschiedliche Fre quenzen haben, frequenzmäßig aufeinander hingezogen werden, so daß eine einzige Frequenz einer stehenden Welle als Kom binationsergebnis entsteht. Wenn jedoch die vier Frequenzen der in entgegengesetztem Richtungssinn umlaufenden Wellen paare voneinander frequenzmäßig ausreichend weit auseinan derliegen, so tritt das Zusammenziehen der Frequenzen nicht auf. Das System des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers mit vier Frequenzen kann als ein System mit zwei unabhängig voneinander bestehenden Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmessern betrachtet werden, welche einen einzigen stabilen Resonanz-Wellenausbreitungsweg ge meinsam haben, jedoch statisch durch ein und dasselbe pas sive Vorspannungselement frequenzmäßig in entgegengesetzter Richtung zueinander vorgespannt sind. In dem differentiel len Ausgang der beiden Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser löschen sich die Vorspannungen gegenseitig aus, während sich rotationsbedingte Signale addieren, wodurch die übli chen Probleme aufgrund eines Drifts der Vorspannung vermie den werden und sich eine Empfindlichkeit ergibt, welche das Doppelte eines einzelnen Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmessers mit zwei Frequenzen be trägt. Nachdem eine Wobbelung oder eine schwingende Modula tion der Vorspannung nicht erforderlich ist, durchquert der Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser niemals den Lock-in-Zustand. Es ergeben sich daher keine durch eine solche Modulation eingeführte Fehler, welche die Qualität der Anzeige des Gerätes begrenzen würden. Aus diesem Grunde handelt es sich bei einem Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit vier Frequenzen um ein Gerät mit niedrigem Störpegel. Ein derartiges Gerät eignet sich für Anwendungsfälle, in denen rasch aktualisierbare Positionsdaten verfügbar sein müssen oder bei denen eine hohe Auflösung gefordert wird.

Die vier verschiedenen Frequenzen werden normalerweise dadurch angeregt, daß zwei unterschiedliche optische Ef fekte zur Wirkung gebracht werden. Zum einen kann ein Kri stallrotator eingesetzt werden, um eine ausbreitungsrich tungsunabhängige Polarisationsdrehung vorzusehen. Die Pola risationsdrehung entsteht dadurch, daß der Brechungsindex des Rotators für rechtszirkular polarisierte Wellen und linkszirkular polarisierte Wellen leicht unterschiedlich ist. Als Alternative kann ein nicht in einer Ebene gelege ner, in sich geschlossener Wellenausbreitungsweg vorgesehen werden, welcher charakteristischerweise nur zirkular pola risierte Wellen zuläßt, ohne daß ein Kristallrotator vorge sehen zu werden braucht. Ein Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmesser oder Laserkreisel mit einem nicht in einer Ebene gelegenen Ausbreitungsweg für die elektromagnetischen Wellen ist in der US-Patentschrift 4 110 045 beschrieben. Es findet weiterhin ein Faraday-Rotator Verwendung, um eine nichtreziproke oder ausbreitungsrichtungsabhängige Polarisationsdrehung herbei zuführen, wobei ein leicht unterschiedlicher Brechungsindex für sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Wellen gegenüber dem Brechungsindex für sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitende Wellen wirksam ist. Dies bewirkt eine Anregung der rechts sinnig zirkular polarisierten Wellen mit Ausbreitungsrich tung im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn mit leicht unterschiedlichen Frequenzen und eine entsprechende Fre quenzaufspaltung, jedoch in entgegengesetzter Richtung bei linkssinnig zirkular polarisierten Wellen mit Ausbreitungs richtung im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn. Ein Laserkreisel arbeitet daher mit rechtssinnig zirkular pola risierten Wellen, welche in einer Drehrichtung frequenz mäßig vorgespannt sind und mit linkssinnig zirkular polari sierten Wellen, welche in der entgegengesetzten Richtung frequenzmäßig vorgespannt sind, wobei sich die Vorspannun gen durch Subtraktion der beiden Ausgangssignale auslö schen.

In dem Resonanzraum eines Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmessers oder Laserkreisels tritt eine Anzahl von Resonanz-Schwingungszuständen auf, wobei viele derartiger Schwingungszustände unerwünscht sind und daher unterdrückt werden müssen. Bei bisher bekannten Sy stemen geschah die Unterdrückung der unerwünschten Schwin gungszustände durch Einarbeiten oder Bohren einer räumlich eng begrenzten Öffnung in einen den Resonanzhohlraum ent haltenden Blockkörper, vorzugsweise gegenüber einem sphäri schen Spiegel in einem von drei Spiegeln begrenzten Reso nanzhohlraum oder Ausbreitungsweg. Eine andere Lösung sieht das Einbringen einer Kupferscheibe mit einer zentrischen Öffnung in den Resonanzraum als Teil einer Faraday-Rotatoranordnung vor. Gemäß einer nochmals anderen bekannten Möglichkeit verläßt man sich auf Unvollkommenheit der Wandung des Resonanzhohlraumes, wobei diese Unvollkom menheit durch die Bearbeitung des Blockkörpers des Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmessers zustande kommt.

Ein wesentlicher Nachteil der bekannten Art und Weise der Ausscheidung oder Unterdrückung unerwünschter Schwin gungszustände besteht darin, daß die Blenden oder Öffnungen nicht einstellbar sind, so daß eine Feinabstimmung nicht möglich ist, wenn der Blockkörper des Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmessers einmal bearbeitet und zu sammengebaut ist. Außerdem entstehen Streuungen des jeweils auftreffenden Lichtes, wodurch eine Erhöhung der Sperrband ereignisse bei höheren Winkelgeschwindigkeiten und eine Veränderung der frequenzmäßigen Vorspannung des Ringla ser-Drehgeschwindigkeitsmessers auftreten. Diese Verände rungen verschlechtern die Eigenschaften eines derartigen Gerätes.

Aus der eingangs erwähnten deutschen Offenlegungs schrift 24 00 346 ist es bekannt, an einem der den Wellenaus breitungsweg bestimmenden Reflektoren außer einer Magnet schicht zur Frequenzaufspaltung eine Mehrzahl von Dielek trikumsschichten mit abwechselnd unterschiedlichen Bre chungsindizes vorzusehen, wobei dieser Dielektrikums- Schichtenverband die Aufgabe hat, vom Umlaufsinn der ange regten Wellen abhängige unterschiedliche Reflexionen an dem betreffenden Reflektor zu vermeiden. Bestimmte unerwünschte Schwingungszustände können durch diesen bekannten Aufbau eines Reflektors im Wellenausbreitungsweg nicht vermieden werden.

Aus der US-PS 3 045 530 ist es ferner bekannt, die Aberration von optischen Systemen durch ringartige oder zentralsymmetrische, in die Apertur eingebrachte, phasen verschiebende Schichten zu kompensieren. Eine Unterdrückung bestimmter Schwingungszustände in einem Ringlaser-Drehge schwindigkeitsmesser und insbesondere eine Justierbarkeit dieses Unterdrückungseffektes in einem Ringlaser-Drehge schwindigkeitsmesser ist bei den bekannten Schichten zur Kompensation der optischen Aberration nicht gegeben.

In Laseroszillatoren nach der US-PS 3,573,656 werden bestimmte longitudinale Schwingungstypen in der oben schon erwähnten Weise durch Blendenkörper in Verbindung mit sphä rischen Reflektoren unterdrückt, wobei die Blendenöffnungen der Blendenkörper im wesentlichen koaxial zu der Achse des jeweiligen Wellenstrahles ausgerichtet sind. Eine Justier barkeit der Unterdrückung unerwünschter Schwingungszustände in einem Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser kann durch die bekannte Anordnung nicht verwirklicht werden.

Aus der US-PS 4,219,254 ist es schließlich bekannt, nur einen Teil einer Oberfläche eines Laseraustrittsfensters mit teildurchlässigem Spiegel auf der jeweils anderen Seite des Bauteils mit einem dielektrischen Belag zu versehen, der die Aufgabe hat, Schwingungszustände höherer Ordnung verstärkt im Laseroszillator anregen zu lassen, um die Fo kussierung des Laserausgangsstrahles zu verbessern. Die Ausgangsoptik dieses bekannten Laseroszillators dient nicht der Unterdrückung von Schwingungszuständen bestimmter höhe rer, unerwünschter Ordnung.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein optisches System mit einem ein Verstärkermedium enthalten den optischen Wellenausbreitungsweg, insbesondere einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser, so auszugestalten, daß unerwünschte Schwingungszustände ohne eine Verschlech terung der Eigenschaften des optischen Systems bzw. des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers in justierbarer Weise unterdrückt werden können.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 angege benen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen bilden Gegenstand der dem Patentanspruch 1 nachgeordneten Ansprü che, auf deren Inhalt hierdurch ausdrücklich hingewiesen wird, ohne an dieser Stelle den Anspruchswortlaut zu wie derholen. Es sei jedoch hier angemerkt, daß bei dem vorlie gend angegebenen optischen System der in bestimmter Weise behandelte Teilbereich der das dielektrische Material ent haltenden Einrichtung zur Unterdrückung bestimmter Schwin gungszustände Unterbereiche enthalten kann, die in ihrer Gesamtheit den justierbaren Teilbereich bilden.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele und Einzelhei ten derselben anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es stellen dar:

Fig. 1 ein Blockschaltbild eines Ringlaser-Drehge schwindigkeitsmesserssystems mit einer perspektivischen Darstellung eines Blockkörpers,

Fig. 2 ein Diagramm, in welchem der Verstärkungsgewinn über der Frequenz aufgetragen ist, zur Erläuterung der Ei genschaften des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessersystems nach Fig. 1, wobei die relativen Lagen der einzelnen Fre quenzen der vier Wellen dieses Systems erkennbar sind,

Fig. 3A eine Frontansicht eines in der hier angegebenen Art ausgebildeten Reflektors, welcher eine phasen empfindliche Lichtsperre enthält, von der Innen seite des in sich geschlossenen Wellenausbreitungs weges gemäß Fig. 1 gesehen,

Fig. 3B eine maßstabsverzerrt gezeichnete Seitenansicht eines als phasenempfindliche Lichtsperre ausgebil deten Reflektors gemäß Fig. 3A im Schnitt,

Fig. 4A eine Frontansicht eines Reflektors, welcher als Ab sorptionslichtsperre ausgebildet ist, von der Innen seite des in sich geschlossenen Wellenausbreitungs weges gemäß Fig. 1 aus gesehen,

Fig. 4B eine maßstabsverzerrt gezeichnete Seitenansicht eines Reflektors gemäß Fig. 4A im Schnitt,

Fig. 5A ein Diagramm des Grundtyps der Hermite-Gauss- Funktion U₀(ξ), welches eine eindimensionale Ver teilung der Intensität der Grundwelle zeigt,

Fig. 5B ein Diagramm der Hermite-Gauss-Funktion U₁(ξ), welches eine eindimensionale Intensitätsverteilung des ersten achsenversetzten Typs zeigt,

Fig. 5C ein Diagramm der Hermite-Gauss-Funktion U₂(ξ), welches eine eindimensionale Intensitätsverteilung des zweiten achsenversetzten Typs zeigt und

Fig. 5D ein Diagramm der Hermite-Gauss-Funktion U₃(ξ), welches eine eindimensionale Intensitätsverteilung des dritten achsenversetzten Typs zeigt.

Es sei nun zunächst auf Fig. 1 Bezug genommen. Hier ist ein Blockkörper des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers mit 10 be zeichnet. Innerhalb des Blockkörpers 10 befindet sich ein nicht in einer Ebene verlaufender Wellenausbreitungsweg als Resonanz hohlraum 16, der für die angeregten elektromagnetischen Wellen einen in sich geschlossenen Weg bildet. Vier dielektrische Spie gel oder Reflektoren 13, 30, 32 und 38 dienen zur Führung der elektromagnetischen Wellen rundum in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg. Ein Faraday-Rotator 28 führt eine nicht reziproke Polarisationsdrehung der sich ausbreitenden Wellen ein. Weiter sind Anoden 14 und 36, eine Kathode 34 und ein Laser-Ver stärkermedium 39 in dem optischen Resonanzhohlraum 16 vorgesehen, welches letzteres von einem Helium-Neon-Gasgemisch gebildet wird, wobei die beiden aktiven Isotopen Neon 20 und Neon 22 sind. Das gasförmige Laser-Verstärkermedium 39 wird elektrisch durch Ent ladungsströme angeregt, die zwischen den Anoden 14 und 36 und der Kathode 34 erzeugt werden. Hierdurch wird das Gasgemisch zu einem lichtemittierenden Laser-Verstärkermedium oder Plasma, wel ches die Resonanzschwingungszustände der Laserwellen in dem op tischen Resonanzhohlraum 16 speist. Der Blockkörper 10 besteht vorzugsweise aus einem Werkstoff mit niedrigem thermischem Aus dehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Glaskeramik, um Ein flüsse auf den Ringlaser aufgrund von Temperaturänderungen mini mal zu falten. Bevorzugte, im Handel erhältliche Materialien sind das sogenannte "Cer-Vit", C-101 der Firma Owens-Illinois Company oder "Zerodur" der Firma Schott Optical Company.

Der nicht in einer Ebene liegende, in sich geschlossene Wellen ausbreitungsweg läßt charakteristischerweise nur zirkular pola risierte Wellen zu, ohne daß ein Kristallrotator verwendet wird. Die Anordnung der Reflektoren 13, 30, 32 und 38 in dem in sich geschlossenen Resonanzhohlraum 16 bewirkt eine Phasenänderung, welche die Resonanzfrequenzen der Wellen ändert. Das Ergebnis ist aus Fig. 2 erkennbar. Die Wellen mit linkssinniger zirkularer Po larisation f₁ und f₂ besitzen eine Resonanzfrequenz, welche von der Resonanzfrequenz der rechtssinnig zirkular polarisierten Wel len f₃ und f₄ verschieden ist. Ringlaser-Drehgeschwindigkeits messer oder Laserkreisel mit nicht in einer Ebene liegendem Wel lenausbreitungsweg sind in der US-Patentschrift 4 110 045 be schrieben.

Der Reflektor 13 ist an einem piezoelektrischen Element 12 be festigt, welches zur Regelung der wirksamen Weglänge im Reso nanzhohlraum als Teil eines Regelsystems dient und den Reflektor nach einwärts und nach auswärts zu bewegen vermag. Der Re flektor 30 dient nur zur Reflexion der elektromagnetischen Wel len zur Führung derselben auf dem in sich geschlossenen Weg. Der Reflektor 32 dient zum einen ebenfalls zur Reflexion der erwünschten elektromagnetischen Wellen zu ihrer Führung in dem in sich geschlossenen Ausbreitungsweg oder Resonanzhohlraum 16 und enthält zum anderen in der vorliegend angegebenen Weise eine Lichtsperre 33 zur Unterdrückung unerwünschter Resonanz-Schwin gungszustände in dem Wellenausbreitungsweg. Der Reflektor 38 ist ein teildurchlässiger Spiegel und gestattet einem kleinen Anteil der Wellenenergie, welche auf die Spiegeloberfläche auftrifft, durch den Reflektor hindurch zu gelangen. Dieser ausgekoppelte Wellenanteil erfährt eine Kombination und Weiterverarbeitung zur Ableitung der Information über die Drehung.

Der Faraday-Rotator 28 liegt bei der Ausführungsform nach Fig. 1 in einem Abschnitt des nicht in einer Ebene verlaufenden, in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweges 16 zwischen den Reflekto ren 30 und 32. Dieses nichtreziprok arbeitende magneto-optische Gerät erzeugt eine Phasenverzögerungsvorspannung der Wellen des einen oder anderen Richtungssinnes der zirkularen Polarisation und mit Ausbreitungsrichtung im Uhrzeigersinn, welche von der Phasenverzögerungsvorspannung verschieden ist, die Wellen ent sprechenden Polarisationssinnes mitgeteilt wird, die sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreiten. Die Kombination der Reflektoren 13, 30, 32 und 38 und des Faraday-Rotators 28 wirkt in der Weise, daß in dem in sich geschlossenen Resonanzhohlraum 16 Wellen mit Resonanzfrequenzen angeregt werden, wie sie in Fig. 2 dargestellt sind. Es gibt jedoch auch andere Möglichkeiten zur Erzeugung einer entsprechenden Wirkung, wie sie der Faraday-Rotator her vorbringt. Eine solche Möglichkeit benutzt den Zeeman-Effekt, wie dies in der US-Patentschrift 4 229 106 beschrieben ist.

Aus Fig. 1 ist weiter erkennbar, daß Photonenabsorber 24 und 26 in dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg 16 vor gesehen sind. Derartige Photonenabsorber sind bereits an anderer Stelle vorgeschlagen worden.

Außer dem Blockkörper 10 des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmes sers sind in Fig. 1 Verbindungen zu den zugehörigen elektroni schen und optischen Baueinheiten des Systems dargestellt. Eine Hochspannungsenergiequelle 50 liefert eine hohe negative Span nung an die Kathode 34 und eine hohe positive Spannung an den piezoelektrischen Treiber 52. Ein elektronischer Entladungsregler 54 bewirkt eine Regelung des Stromflusses von den Anoden zur Kathode. Je nach Ausbildung und Eigenschaften des Blockkörpers können abhängig von den innerhalb des betreffenden Blockkörpers auftretenden optischen Verlusten jeweils unterschiedliche Werte des Kathodenstromes erforderlich sein.

Das Regelsystem für die optische Weglänge ist eine rückgekoppel te Schaltung, welche eine optimale optische Weglänge innerhalb des in sich geschlossenen Resonanzhohlraumes 16 aufrecht erhält. Das Regelsystem enthält einen Detektor-Vorverstärker 56, einen zur Regelung der Weglänge dienenden Regler 58 und die Hochspan nungstreiberschaltung 52 für das piezoelektrische Element 12 als elektronische Einheiten. Wie bereits erwähnt, wird die optische Weglänge im Resonanzhohlraum mittels des Reflektors 13 einge stellt, welcher auf dem piezoelektrischen Element oder Wandler 12 angeordnet ist. Der Hochspannungstreiber 52 betätigt das piezoelektrische Wandlerelement 12 durch Anlegen einer Spannung im Bereich von 0 bis 400 Volt. Da stabile Betriebspunkte oder Betriebszustände jeweils bei Weglängenintervallen entsprechend einer halben Wellenlänge der Laserschwingungen auftreten, wird normalerweise der Zustand, welcher der Mitte des dynamischen Be reiches des Wandlers am nächsten liegt, als der Dauerbetriebs punkt gewählt. Der Detektor-Vorverstärker 56 trennt die Wechsel spannungssignale und die Gleichspannungssignale, welche von der Ausgangsoptik 35 abgenommen werden. Die Gleichspannungssignale werden zur Regelung der Weglänge des Resonanzhohlraumes verwen det. Die Wechselspannungssignale sind Sinuswellen, welche den Ausgang des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers darstellen. Diese Signale gelangen zu einer Signalverarbeitungsschaltung 60, wo sie in Folgen digitaler Ausgangsimpulse f₁-f₂ und f₃-f₄ umgewandelt werden, wobei jeweils ein Impuls für jede Periode der eingegebenen Spannungswellen erzeugt wird. Die Regelung der Weglänge im Resonanzhohlraum ist im einzelnen in der US-Patent schrift 4 108 553 beschrieben.

Die Ausgangsoptik 35 koppelt einen Anteil jedes sich innerhalb des Ringlaser-Resonanzhohlraums ausbreitenden Wellenstrahls aus, um die beiden Ausgangssignale f₁-f₂ und f₃-f₄ zu bilden. Jedes dieser Signale repräsentiert die Differenz der Frequenz eines Paares von Wellen gleichen Richtungssinnes der zirkularen Polarisation, wie in Fig. 2 dargestellt ist. Der Ausgangsreflek tor 38 besitzt einen teildurchlässigen Belag auf der einen Seite und einen Strahl-Aufspalterbelag auf der anderen Seite. Beide Be läge sind üblicher Art und sind aus einander abwechselnden Schichten von Titandioxid und Siliziumdioxid aufgebaut.

Der Strahlaufspalterbelag läßt eine Hälfte der einfallenden Strahlung durch und reflektiert die andere Hälfte. Ein Retro prisma oder Kombinationsprisma 37 dient zur Überlagerung der beiden Wellenstrahlen. Dieses rechtwinkelige Prisma ist aus ge schmolzenem Quarz hergestellt und besitzt versilberte oder ver spiegelte Reflexionsflächen. Zwischen der Verspiegelung und dem geschmolzenen Quarz ist eine dielektrische Schicht vorgesehen, um nur minimale Phasenfehler bei der Reflexion einzuführen. Eine in der Zeichnung nicht dargestellte Viertelwellenplatte und auf diese folgend Polarisatorscheiben dienen zur Trennung der vier Frequenzen, welche in jedem Strahl enthalten sind. Ein Keil (ebenfalls nicht dargestellt) ist zwischen dem Kombinationspris ma oder Retroprisma und der Viertelwellenplatte angeordnet, um Energie, welche an den Trennflächen reflektiert wird, daran zu hindern, zurück in den Resonanzhohlraum des Ringlasers zu gelan gen und sich mit den dort entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen zu mischen. Eine Photodioden-Glasdeckschicht (auf einer Seite mit Antireflexionsbelag versehen) und eine Photodioden anordnung (nicht dargestellt) vervollständigen die Ausgangsoptik 35. Zwischen den verschiedenen Bauteilen ist ein optischer Kitt vorgesehen, um die Bauteile zusammen zu halten und Reflexionen minimal zu halten. Eine Ausgangsoptik der hier verwendeten Art ist beispielsweise in der US-Patentschrift 4 141 651 beschrieben.

Es sei nun Fig. 3A näher betrachtet. Der Reflektor 32 erfüllt die Aufgabe einer phasenempfindlichen Lichtsperre und enthält einen dielektrischen Spiegel 31, welcher in einem bestimmten Bereich mit einem Elektronenstrahl behandelt worden ist, der von einem Abtast-Elektronenmikroskop oder einem ähnlichen Gerät ausgeht. Dieser mittels eines Elektronenstrahls behandelte Bereich 33 er zeugt eine Phasenverschiebung und eine kleine Amplitudenvermin derung in einem bestimmten Bruchteil einer sich ausbreitenden elektromagnetischen Welle als Folge einer Änderung des Brechungs index in dem durch den Elektronenstrahl behandelten Bereich 33. Aus Fig. 3B ist zu ersehen, daß der dielektrische Spiegel 31 aus einander abwechselnden Schichten von Siliziumdioxid (SiO₂) 62 und Titandioxid (TiO₂) 64 aufgebaut ist, die sich auf einem Sub strat 66 aus geschmolzener Kieselerde oder Siliziumdioxid befin den. Der behandelte Bereich 33 erstreckt sich im wesentlichen vollständig durch die aufeinanderfolgenden Schichten von Sili ziumdioxid und Titandioxid hindurch. Die in dieser Weise ausge bildete phasenempfindliche Lichtsperre bewirkt eine Ausscheidung bestimmter Resonanzschwingungszustände ohne eine zusätzliche merkbare Wellenstreuung der entgegengesetzt zueinander umlaufen den elektromagnetischen Wellen zu verursachen. Es ergibt sich zwar eine geringe Verminderung der Amplitude der elektromagneti schen Welle, doch ist dieser Effekt selbst nicht ausreichend groß, um unerwünschte Schwingungszustände zu unterdrücken. Nach dem jedoch außerdem bei einem geringen Bruchteil der unerwünsch ten entgegengesetzt zueinander umlaufenden Wellen, nämlich den Schwingungszuständen höherer Ordnung, eine Phasenänderung inner halb des in sich geschlossenen Resonanzhohlraums 16 eingeführt wird, erfahren diese Schwingungszustände eine ausreichende Schwächung, um ihre Laserverstärkung zu verhindern.

Die Bestrahlung eines Reflektors oder eines dielektrischen Spie gels 31 zur Erzeugung eines elektronenstrahlbehandelten Berei ches 33 von etwa 4 mm Länge und 0,5 mm Breite zur Verursachung einer Phasenverschiebung einer elektromagnetischen Welle kann mittels eines Elektronenstrahl-Behandlungsgerätes erfolgen, etwa mittels eines Abtast-Elektronenmikroskopes, wie es von der Firma Cambridge Scientific Instrument Ltd., Cambridge, England, unter der Bezeichnung "Model S-4 Stereoscan mit Video Presentation Unit" auf den Markt gebracht wird. Bei der Elektronenstrahlbe handlung werden die Einstellungen an dem Gerät folgendermaßen vorgenommen:

Beschleunigungsspannung E_B
30 kVolt
Prüflingsstrom I_S	2 × 10^-8 A
Durchmesser der letzten Ausgangsappertur	700 µm
Vergrößerung	20fach
Betriebsweise	einfache Linienabtastung in Wiederholung
Neigung	Null

Bei der Behandlung eines dielektrischen Spiegels mit dem Abtast- Elektronenmikroskop verfährt man zweckmäßig folgendermaßen:

1) Beschichten eines dielektrischen Spiegels zwecks Erdung mit einer Kupferschicht von 50 nm,
2) Einstellung des Gerätes auf ein normales Werkstück unter einem Neigungswinkel Null und Ablesen der Anzeige der Be arbeitungsentfernung,
3) Einstellen der Video-Darstellungseinheit des Gerätes auf einen Drehwinkel Null bei der während des Arbeitsschrittes 2) bestimmten Bearbeitungslänge,
4) Positionieren des gewünschten Bearbeitungsbereiches des dielektrischen Spiegels unter dem Elektronenstrahl,
5) Defokussieren des Elektronenstrahls auf eine Bearbeitungs entfernung von 40 mm,
6) Einstellen der Video-Präsentationseinheit auf einen Dreh winkel Null bei einer Bearbeitungsentfernung von 40 mm,
7) Einstellung der Betriebsweise auf Linienabtastung,
8) Einwirken-lassen des Elektronenstrahls auf den dielektri schen Spiegel während vier Stunden und
9) Abziehen der Kupferschicht von dem dielektrischen Spiegel durch Einbringen in ein geeignetes Ätzmittel, beispiels weise Ammoniumpersulfat.

In den Fig. 5A bis 5D sind Hermite-Gauss-Funktionen graphisch dargestellt, welche die eindimensionale Intensitätsverteilung der Grundwelle und der achsenversetzten Resonanzschwingungszu stände höherer Ordnung wiedergeben. Die Existenz dieser Schwin gungszustände in einem Resonatorsystem, beispielsweise einem konfokalen Fabrey-Perot-Resonator oder einem Ringlaser-Resonanz hohlraum mit sphärischen und flachen Reflektoren gleicher Größe und gleichen Reflexionsverhaltens wurde bereits nachgewiesen und im einzelnen beschrieben, und zwar in den Veröffentlichungen "Resonant Modes in a Maser Interferometer" von A.G. Fox und Tingye Li sowie "Confocal Multimode Resonator for Millimeter Through Optical Wavelength Masers" von G.D. Boyd und J.P. Gordon in Bell System Technical Journal, März 1961, Band 40, Seiten 453 bis 488 bzw. 489 bis 508. Ein Schwingungsmodus oder ein Schwingungszustand kann als eine Feldverteilung definiert wer den, die sich selbst in räumlicher Verteilung und Phase, jedoch nicht in der Amplitude, reproduziert, wenn die Welle zwischen zwei Reflektoren hin- und herreflektiert wird. Aufgrund der Ver luste durch Beugung und Reflexion wird das reproduzierte Wellen muster in der Intensität bei jedem jeweils folgenden Durchgang durch den Resonanzhohlraum geschwächt, wenn kein Verstärkermedium vorhanden ist. In den zuvor erwähnten Veröffentlichungen haben die Autoren gezeigt, daß es eine Gruppe von Schwingungsmoden gibt, welche sich über die Spiegel gleicher Größe des Resonators zur re produzieren vermögen. Wenn der Effekt der Beugungsverluste auf grund einer endlichen Appertur eingeführt wird, so werden die Schwingungszustände zu einmaligen Vorgängen und jeder Schwin gungsmodus hat seine eigene charakteristische Abfallsgeschwin digkeit oder Dämpfungsgeschwindigkeit oder seinen eigenen Güte wert. Wird aber eine Verstärkung durch ein Helium-Neon-Entla dungsplasma eingeführt, so ergibt sich ein stabiler Zustand, bei dem sämtliche Schwingungszustände, für die die Verstärkung größer ist als die Verluste, weiterschwingen oder im Laser wirk sam sind. Die besagten Verluste für einen Schwingungsmodus um fassen die Beugungsverluste und die Verluste aufgrund einer Un vollkommenheit der Spiegel.

Für den Fall niedriger Beugungsverluste sind die Eigenfunktionen der Schwingungsmoden immer noch in guter Näherung durch die fol genden Hermite-Gauss-Funktionen gegeben, wie sie in den Fig. 5A bis 5D dargestellt sind und wie sie exakt nur für den Fall der Verlustfreiheit bei unendlicher Appertur anzugeben sind:

U_L = (π^½ L′ · 2^L)^-½ H_L(ξ)e^- ^ξ ^/₂

Hierin bedeutet U_L das Hermite-Gauss-Polynom der Ordnung L. Die Kurven in den Fig. 5A bis 5D zeigen die Intensitätsvertei lung der elektrischen Transversalschwingungszustände niedriger Ordnung, welche normalisiert sind, um einen konstanten Betrag der gesamten Strahlleistung in sämtlichen Schwingungszuständen

darzubieten. Es ist von Bedeutung festzustel len, daß die Schwingungszustände höherer Ordnung mehr Energie in den Nebenmaxima in größerem Abstand vom Strahlmittelpunkt enthal ten als dies bei Schwingungszuständen tieferer Ordnung der Fall ist. Das Ausscheiden unerwünschter Schwingungszustände durch eine Lichtsperre in der hier angegebenen Art bewirkt die Einfüh rung ausreichender Energieverluste in die Schwingungszustände höherer Ordnung, so daß diese an einer Teilnahme an der Laser verstärkung gehindert werden, während die Grundwelle nicht in ausreichendem Maße geschwächt wird, daß sie nicht am Lasermecha nismus teilnehmen könnte.

In den Fig. 4A und 4B ist eine weitere, durch Absorption wirk same Lichtsperre 70 dargestellt. Sie ist durch Ablagerung eines Absorptionsmaterials 74 auf einem dielektrischen Spiegel 72 ge bildet. Das Absorptionsmaterial, beispielsweise aufgesputtertes lichtabsorbierendes Glas, wird auf die Oberseite eines Verbandes von annähernd zwanzig einander abwechselnden Schichten von Si liziumdioxid und Titandioxid aufgebracht, welche ihrerseits auf einem Substrat 76 von geschmolzener Kieselerde, also von Sili ziumdioxid aufgebracht werden. Die Dicke des Absorptionsmaterials 74 verändert sich linear oder quadratisch in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Mitte des Spiegels 72, um Streueffekte minimal zu halten und eine Unterdrückung von Schwingungszustän den höherer Ordnung durch Energieabsorption zu bewirken. Aller dings ist bei dieser Art einer Lichtsperre stets eine bestimm te Trennlinie 75 zwischen dem unbeschichteten und dem be schichteten Spiegel im Bereich des Beginns des Absorptionsmate rials der Mitte des Spiegels 72 nächstliegend vorhanden, welche eine unerwünschte Streuung eines bestimmten Anteils der einfal lenden Lichtenergie bewirkt.

Die hier vorgeschlagene Lichtsperre bedingt eine wesentliche Verbesserung gegenüber bekannten Maßnahmen zur Unterdrückung un erwünschter Resonanzschwingungszustände aufgrund der Möglichkeit einer Einstellung der Lichtsperre nach Herstellung und Zusammen bau des Blockkörpers 10 und während des Betriebes, also während der Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen auf dem in sich geschlossenen Wellenausbreitungsweg 16 gemäß Fig. 1. Diese Ein stellbarkeit wird durch Veränderung der Position des Reflektors 32 relativ zu den sich ausbreitenden Wellen erreicht. Ist die Oberfläche des Reflektors flach, so kann die Einstellung in ein facher Weise durch Verschiebung des Reflektors auf der Halte rungsfläche bei gleichzeitiger Beobachtung der Verluste der Grundwelle und der Schwingungszustände höherer Ordnung im Aus gang der Signalverarbeitungseinheit 60 vorgenommen werden. Han delt es sich bei dem Reflektor um einen sphärischen Spiegel (nicht dargestellt) und ist eine Lichtsperre 70 vorgesehen, dann muß das Absorptionsmaterial in radialer Richtung abgela gert werden und die Einstellung oder Justierung bezüglich der Schwingungsmoden wird erreicht, indem der Reflektor längs seiner Krümmungsachse gedreht wird. Außer der Einstellbarkeit bietet die hier vorgeschlagene Lichtsperre den-Vorteil, daß ein gesondertes, im Resonanzhohlraum befindliches Bauelement zur Unterdrückung der unerwünschten Schwingungszustände ver mieden wird.

Abschließend sei darauf hingewiesen, daß die hier beschriebene Maßnahme zum Ausscheiden oder Unterdrücken unerwünschter Schwin gungszustände unabhängig von den hier beschriebenen Anwendungs fällen und Ausführungsbeispielen auch in anderen optischen Syste men angewendet werden kann, in welchen eine Vielzahl elektro magnetischer Wellen angeregt wird, wobei die Phase und die Amplitude bestimmter unerwünschter Schwingungszustände im Wel lenausbreitungsweg bereichsweise so geändert oder die Wellen energie selektiv so abgedämpft wird, daß die unerwünschten Schwingungszustände unterdrückt werden.

Claims

1. Optisches System mit einem ein Verstärkermedium ent haltenden optischen Wellenausbreitungsweg (16), in welchem eine Anzahl elektromagnetischer Wellen anregbar ist, insbe sondere Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser mit einer An zahl von Reflektoren (13, 30, 32, 38) zur Führung der elek tromagnetischen Wellen auf einem in sich geschlossenen Wel lenausbreitungsweg, und mit einer in dem Wellenausbrei tungsweg befindlichen, dielektrisches Material enthaltenden Einrichtung (31, 62, 64, 33 bzw. 72, 74, 76, 78) zur Ände rung der Phase und/oder Amplitude von angeregten elektroma gnetischen Wellen, dadurch gekennzeichnet, daß die das di elektrische Material enthaltende Einrichtung in einem Teil bereich (33, 74) ihres vom Wellenausbreitungsweg durchsetz ten Querschnittes und nur in diesem Teilbereich derart be handelt ist, daß der Brechungsindex oder das Absorptions vermögen zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungszustän de höherer Ordnung beeinflußt ist, wobei der Teilbereich asymmetrisch zur Querschnittsmitte angeordnet ist, und daß die das dielektrische Material enthaltende Einrichtung der art justierbar ist, daß die Lage des Teilbereichs relativ zum Wellenausbreitungsweg einstellbar ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die das dielektrische Material enthaltende Ein richtung in dem Teilbereich (33) oder in Unterbereichen desselben mit einem Elektronenstrahl derart behandelt ist, daß in diesem Teilbereich auftreffende elektromagnetische Wellen eine Phasenänderung erfahren.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß die das dielektrische Material enthaltende Ein richtung (70) bereichsweise mit Absorptionsmaterial (74) zur Unterdrückung unerwünschter Resonanz-Schwingungszustän de beschichtet ist.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net, daß die das dielektrische Material enthaltende Ein richtung von einem dielektrische Spiegel (70) gebildet ist.

5. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich net, daß die Dicke des abgelagerten Absorptionsmaterials (74) in Abhängigkeit vom radialen Abstand von der Spiegelmitte zunimmt, um eine Zunahme der Energieverluste für uner wünschte Resonanz-Schwingungszustände zu bewirken.

6. Optisches System nach Anspruch 4 oder 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das Absorptionsmaterial ein lichtabsor bierendes Glas enthält.

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, da durch gekennzeichnet, daß die das dielektrische Material enthaltende Einrichtung eine Anzahl von Schichten (62, 64; 76, 78) aufweist, welche jeweils unterschiedlichen, insbe sondere abwechselnd großen und kleinen, Brechungsindex auf weisen.

8. Optisches System nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net, daß die das dielektrische Material enthaltende Ein richtung einen Schichtenverband aufeinander folgender Schichten von Siliziumdioxid und Titandioxid aufweist, wel che auf einem Substrat (66; 76) aus geschmolzener Kiesel erde abgelagert sind.

9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, da durch gekennzeichnet, daß in dem Wellenausbreitungsweg, welcher die das dielektrische Material enthaltende Einrich tung (32; 70) zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungs zustände enthält, zirkular polarisierte, sich entgegenge setzt zueinander ausbreitende elektromagnetische Wellen in Paaren des ersten und des zweiten Polarisationssinnes an regbar sind und daß der Wellenausbreitungsweg hierzu insbe sondere nicht in einer Ebene liegend ausgebildet ist, wobei Mittel zur Erzeugung einer ausbreitungsrichtungsabhängigen Phasenverschiebung der Wellen vorgesehen sind, derart, daß eine Frequenzaufspaltung zwischen den sich entgegengesetzt zueinander ausbreitenden Wellen jedes Wellenpaars auftritt.