DE3318292A1 - Ringlaser-drehgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

Raytheon Coppaay, lAl ,Spring Street, Lexington, MA 02173, Vereinigte Staaten von Amerika

Rinqlaser-Drehqeschwindiqkeitsmesseg

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeit· messer, der im folgenden auch als Ringlaser-Gyroskop oder kurz als Laserkreisel bezeichnet wird.

Laserkreisel besitzen einen optischen Ringresonator, der eine eindeutige Empfindlichkeitsachse definiert. Die Inertia !rotation UBi diese Achse ist die zu !messende bzw. zu überwachende Größe. Ein in dem Resonator vorhandenes Verstärkungsmediuia' dient zur Erzeugung und Aufrechterhaltung eines der Gauß^ssehen oder sogenannten fundamentalen elektromagnetischen Feldtypen. Der Begriff Feldtyp ist bekanntlich die allgemeine Bezeichnung für die in einer Wellenleitung möglichen elektromagnetischen Feläfortnen. Wenn sich der Feldtyp als Helle ausbreitet oder als stehende Welle manifestiert (Resonanz) wird er im-folgenden auch als Wellentyp oder Schwingungstyp bezeichnet. Verkürzt wird der Begriff an einigen Stellen auch einfach als Schwingung bzw. Welle bezeichnet. Der erwähnte fundamentale Feldtyp besitzt Komponenten, die im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn um den Resonator laufen. Eine Drehung des Resonators um seine Empfindlichkeitsachse führt zu einer Fequenzaufspaltung zwischen den im Uhrzeigersinn bzw. ira Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Komponenten. Um eine Frequenz.einrastung bei niedrigen Drehgeschwin-

digkeiten zu vermeiden, benutzen Laserkreisel normalerweise ein Vorspannungssystem, welches bewirkt, daß die Frequenzen der sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten für alle zu erwartenden Drehgeschwindigkeiten so weit auseinanderliegen, daß ihre Differenz größer ist als der Einrast-Frequenzbereich. In einem optischen Vorspannungssystem, das für Vierfrequenz-Laserkreisel Verwendung findet, erzeugen eine Vorrichtung zur richtungsabhängigen (nichtreziproken) Polarisationsdrehung, z.B. ein Faraday-Rotator, und eine Vorrichtung zur richtungsunabhängigen (reziproken) Polarisationsdrehung einen Resonator, in welchem sich eine Grundschwingung mit vier Komponenten ausbilden kann, die jeweils unterschiedliche Frequenz haben. Ein Komponentenpaar hat eine erste Polarisationsrichtung f während ein weiteres Komponentenpaar eine zweite Polarisationsrichtung hat, die senkrecht zur ersten Polarisationsrichtung steht. Jedes der beiden Komponentenpaare umfaßt die beiden sich in entgegengesetzten Richtungen um den Resonator ausbreitenden Frequenzkomponenten. Die Drehgeschwindigkeit wird dadurch gemessen, daß die Differenz zwischen den Frequenzen jeder der gegenläufig wandernden Schwingungstypkomponenten bestimmt und daraus zwei Frequenzdifferenzsignale abgeleitet werden. Daraufhin wird ein Ausgangssignal erzeugt, das ein Maß für die Drehgeschwindigkeit darstellt, indem die Differenz zwischen den beiden Frequenzdifferenzsignalen gebildet wird. Laserkreisel dieser Art sind in der US-PS 3 741 657 beschrieben.

Die Frequenzen der in Resonanz befindlichen Schwingungstypkomponenten sind eine Funktion der Weglänge; eine Änderung der Weglänge, z.B. aufgrund einer Temperaturschwankung, bewirkt eine Frequenzverschiebung der Komponenten, so daß diese sich unter der Verstärkungskurve verschieben. Da das Verstärkungsmedium einen frequenzabhängigen Brechungsindex .besitzt und die Frequenz der sich ausbrei-

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tenden Wellen sich ändert, falls keine Weglängensteuerung vorgesehen ist, ändert sich jedes der beiden Frequenzdifferenzsigna Ipaare unabhängig von der tatsächlichen Drehgeschwindigkeit in unterschiedlicher Heise. Dieser Effekt wird als eine vom Verstärkungsmedium verursachte Frequenzdispersion .bezeichnet und führt zu einer scheinbaren Rotationsgeschwindigkeit , die teilweise eine Funktion der Vieglänge ist« Deshalb ist es er f order lieh, die Weglänge des Resonators 'für solche bekannten Laserkreisel selbst bei vergleichsweise niedrigen Genauigkeitsanforderungen zur Erzielung eines stabilen Äusgangssignals sorgfältig zu regeln.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmesser zu schaffen, bei dem der durch die oben erwähnte Prequenzdispersion verursachte Störeinfluß verringert bzw. eliminiert ist. Diese Aufgabe wird durch einen Ringlaser-Drehgeschwindigkeitssiiesser mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen des

Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung sind in Unteransprüchen beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich verwiesen wird.

Weitere Unteransprüche betreffen ein Verfahren zum Betrieb eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung. Auch auf diese Unteransprüche wird hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen .

In dem Ringlasser-Drehgeschwindigkeitsmesser gemäß der Erfindung kann sich eine Mehrzahl von abgestimmten, d.h. in Resonanz befindlichen Schwingungen oder Wellen vom
TEM -Typ ausbilden, wobei der longitudinale Schwingungstypindex, .d.h. q, für jede dieser Vielzahl von

Schwingungstypen eine der aufeinanderfolgenden unterschiedlichen ganze Zahlen ist und die transversalen Schwingungstypindizes m und η für alle diese Schwingungstypen konstant sind. Die vorgesehene Verstärkung ist hinreichend groß, so daß sich eine Mehrzahl solcher Schwingungstypen, z.B. und TEM/ ., % , gleichzeitig ausbilden können.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind ferner Mittel vorgesehen, durch welche jeder Schwingungstyp in eine Gruppe von vier Komponenten mit unterschiedlichen Frequenzen aufgespalten wird, wobei jede dieser Gruppen von jeweils vier Komponenten zwei orthogonal polarisierte, nämlich rechtszirkular und linkszirkular polarisierte Paare umfassen und jedes dieser Paare Komponenten beinhaltet, die sich in entgegengesetzten Richtungen in den Ringresonator ausbreiten. Hierbei ist die Verstärkung des Mediums hinreichend groß, um die Ausbildung von wenigstens sechs Komponenten zu ermöglichen, die in drei abwechselnd polarisierten Paaren angeordnet sind, wobei zwei dieser Paare von den vier Komponenten eines ersten Schwingungstyps der genannten Mehrzahl von Schwingungstypen, z.B. des Schwingungstyps TEM , und das dritte Paar von den ersten beiden Komponenten eines zweiten Schwingungstyps der genannten Vielzahl von Schwingungstypen, z.B. des Schwingungstyps TEM/ ^n , gebildet werden. Die Verstärkung ist ferner so gewählt, daß die Frequenzdiffereriz zwischen sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten des ersten Paares mit der Frequenzdifferenz der Komponenten des gleichpolarisierten dritten Paares synchronisiert werden, oder allgemein, daß sich eine gemeinsame Frequenzdifferenz für alle gleichpolarisierten Paare ergibt. Aus den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten von Paaren eines ersten Polarisationszustandes wird ein erstes Frequenzdifferenzsignal abgeleitet; aus den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten eines

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paares mit einem zweiten zum ersten Polarisationszustand orthogonalen Polarisationssustandes wird ein zweites Frequenzdifferenzsignal abgeleitet. Anschließend wird durch Differenzbildung zwischen dem ersten und dea zweiten Frequenzdifferenzsignal ein Ausgangssignal erzeugt» Es sind ferner Mittel zum Ausgleich der Frequenzdispersion des ¥erstärkungsmediums vorgesehen»

In einer Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß eine Weglängensteuerung nicht stattfindet und die Schwingungstyp komponenten bei Weglängenänderungen frei driften können, wobei ein Komponentenpaar des nächstbenachbarten longitudinalen Schwingungstyps gleicher Polarisation in Resonanz kommt,, so lange das korrespondierende Komponentenpaar des laufenden Schwingungstyps sich noch in Resonanz befindet. Dies ermöglicht die Herstellung eines kostengünstigen Laserkreisels, da keine Schaltungen zur
Weglängensteuerung erforderlich sind und außerdem für
den Kreiselblock der Aufwand eines teueren Materials
mit möglichst geringem Ausdehnungskoeffizienten umgangen wird.

Bei einer anderen Ausführungsform, die einen Laserkreisel mit sehr hoher Genauigkeit betrifft, findet eine Weglängensteuerung Anwendung; außerdem wird zur Vergrößerung der Genauigkeit die Zirkulationsleistung erhöht, so daß das Rauschen aufgrund von spontaner Emission verringert wird.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:

Fig. 1 zeigt eine von einer ersten Ecke aus gesehene perspektivische Aufsicht eines ersten Ausführungsbeispieles des Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung,

Fig. 2 zeigt eine von einer zweiten Ecke aus gesehene perspektivische üntersicht des Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine wiederum von der ersten Ecke aus gesehene abweichende perspektivische Ansicht des Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß Fig. 1 und veranschaulicht den Innenaufbau und die innerhalb des Gerätes gebildeten Kanäle,

Fig. 4a bis 4C veranschaulichen die longitudinalen Resonanztypen oder -moden eines optischen Resonators,

Fig. 4D bis 4G veranschaulichen die Wirkung eines Verstärkung s mediums und eine Änderung der optischen Weglänge auf die Resonanztypen,

Fig. 5A bis 5C zeigen die Änderung des Ausgangssignals bei konstanter Drehgeschwindigkeit in Abhängigkeit von der Drift des Wellentyps für einen Drehgeschwindigkeitsmesser ohne bzw. mit Streuungsabgleich,

Fig. 6A bis 6C zeigen Schaulinien des Verstärkungsfaktors bzw. der Resonanzfrequenz des bei dem Drehgeschwindigkeitsmesser gemäß Fig. 1 verwendeten gasförmigen Lasermediums und veranschaulichen die Wirkungen der Frequenzstreuung sowie der entsprechenden Ausgleichsmaßnahmen,

Fig. 7 zeigt ein Diagramm der Energieniveaus und veranschaulicht die Aufteilung der Energieniveaus des Verstärkungsmediums bei Anwesenheit eines magnetischen Feldes,

Fig. 8 zeigt eine von oben gesehene perspektivische Ansicht eines Laser-Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß einem

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- 7 zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung»

Anhand von Fig. 1 bis 3 seien der Aufbau und die Wirkungsweise eines Ringlaser-Drehgeschwindigkeitsniessers näher erläutert: Ein Kreiselblock 102 bildet den Rahmen, in welchem das gesamte.System aufgebaut ist.

Der Kreiselblock 102 besitzt neun im wesentlichen ebene Flächen, die aus den unterschiedlichen Ansichten geiaäß Fig. 1 bis 3 hervorgehen» Hie sich insbesondere aus der Darstellung in Fig= 3 ergibt, die den Block 102 ohne die übrigen Systemkomponenten zeigt, sind zwischen den mit 122, 124, 126 und 128 bezeichneten Flächen des Kreiselblockes 102 Durchgänge oder Kanäle 108, 110, 112 und 114 vorgesehen. Diese definieren einen nichtplanaren geschlossenen Ausbreitungsweg innerhalb des Kreiselblockes 102«

An den Flächen 122, 124, 126 und 128 sind an den Schnittstellen mit den genannten Kanäle Spiegel vorgesehen» Die Flächen sind so ausgerichtet, daß an ihnen angeordnete flache Spiegel im wesentlichen die Mittellinie eines Kanals auf die Mittellinien' eines anderen, benachbarten Kanals reflektieren. Substrate 140, 142 und 160 Bi it geeigneten reflektierenden Oberflächen beinhalten die auf den Flächen 124, 126 bzw» 128 angebrachten Spiegel. Einer dieser Spiegel sollte leicht konkave Form besitzen, um sicherzustellen, daß die Strahlen stabil und ira wesentlichen auf das Zentrum der Durchgänge begrenzt sind« Auf der Fläche 122 ist ferner ein transparentes Spiegelsubstrat 138 mit (nicht dargestellten) teildurchlässigen dielektrischen Spiegelschichten angeordnet, mittels derer ein Teil jedes längs des geschlossenen Pfades innerhalb des Kreiselblockes 102 verlaufenden Strahles in eine Ausgangsoptik auskoppelbar ist. Zur Struktur der Äusgangsoptik 144 wird auf die US-PS 4 144 651 verwiesen.

Da die Kanäle 108, 110, 112 und 114 einen nichtplanaren Ausbreitungspfad für die verschiedenen Strahlen innerhalb des Systems bestimmen, erfährt jeder Strahl eine reziproke (richtungsunabhängige) Bilddrehung und eine begleitende Polarisationsdrehung, wenn er längs des geschlossenen Pfades wandert. Eine Beschreibung des nichtplanaren Ausbreitungsweges ist z.B. in der US-PS 4 110 045 gegeben. Die Form des nichtplanaren Strahlenweges bestimmt den genauen Betrag der Rotation. Das Kristallmaterial, das bei bekannten Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern zum Aufbau des reziproken Polarisationsrotators verwendet wird, ist im vorliegenden Fall gänzlich aus dem Ausbreitungsweg der Strahlen eliminiert, so daß die diesem Element anhaftenden Ursachen für Fehler und Drifterscheinungen ausgeschaltet sind.

Im Idealfall existieren in dem nichtplanaren Ausbreitungsweg ausschließlich Strahlen mit im wesentlichen zirkularer Polarisation. Bei zirkulär polarisierten Strahlen sind Fehler aufgrund von Lichtstreuung oder Kopplung zwischen den Strahlen auf das kleinstmögliche Maß verringert. Dies hat seine Ursache darin, daß Licht einer bestimmten zirkulären Polarisation bei seiner Rückstreuung im wesentlichen die entgegengerichtete Polarisation besitzt und daher in den gegenlaufenden Strahl nicht einkoppelt und diesen deshalb nicht beeinträchtigt. Für eine andere als die zirkuläre Polarisation ist dies nicht der Fall, da immer einige Komponenten des gestreuten Strahles vorhanden sind, die in gegenläufigen Strahlen einkoppeln können.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Durchgänge und reflektierenden Spiegel so angeordnet, daß sich für die verschiedenen Strahlen im wesentlichen eine 90°- Bilddrehung ergibt, die eine entsprechende ^"-Polarisationsdrehung zur Folge hat. Strahlen mit rechtsdrehender und linksdrehender zirkularer Polarisation werden - unab-

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hängig von ihrer Ausbreitungsrichtung - um diesen gleichen Betrag gedreht und bewirken daher äquivalente Phasenverschiebungen in entgegengesetzten Richtungen für die beiden Polarisations-Drehrichtungen. Infolgedessen ergibt sich eine resultierende Phasenverschiebung derart, daß zwischen den Strahlen mit rechtszirkularer und iinkszirkularer Polarisation eine Frequenzaufspaltung stattfinden siuß, damit die Strahlen in dem optischen Hohlraum zur Resonanz kommen. Dies ist in Fig. 4A und 4B als Frequenzspaltung zwischen den Strahlen 408, 412, und 416 mit Iinkszirkularer Polarisation und den Strahlen 406, 410 und 414 mit rechtszirkularer Polarisation dargestellt. In dem Ausführungsbeispiel findet eine 90°-Drehung statt, die einer relativen Phasenverschiebung von 180° entspricht, obwohl in Abhängigkeit von der gewünschten Frequenztrennung auch andere Phasenverschiebungen verwendet werden können«

In einem an die Fläche 124 angrenzenden durchmessergrößeren Abschnitt 113 des Durchganges 112 befindet sich ein Faraday-Rotator 156» Dieser besitzt eine dünne Platte aus geeignetem Material sowie einen Magneten zur Erzeugung des erforderlichen Magnetfeldes. Einzelheiten der Konstruktion eines geeigneten Faraday-Rotators sind z.B« aus der US-PS 2 284 389 bekannt. Jedweder Feststoff in dem Ausbreitungsweg der gegenläufig rotierenden Strahlen bildet Zerstreuungspunkte, die gegenüber Wärmeströmungen empfindlich sind. Diese Wärmeempfindlichkeit kann auf der Wärmeausdehnung des Materials beruhen oder auf einer Änderung der optischen Weglänge infolge der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes des Materials. Es wurde herausgefunden, daß die effektive Temperaturabhängigkeit der optischen Weglänge und damit die durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Drifterscheinungen eine Funktion der Dicke des Festkörpermaterials im Strahlenpfad sind. Daher sollte die Platte des Rotators so dünn sein, wie es sich mit den gewünschten Faraday-Vorspanungspegeln vereinbaren laßt. Eine Dicke von

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0,5 mm ist hinnehmbar. Ein geeignetes im Handel erhältliches Material ist beispielsweise der Werkstoff mit der Bezeichnung FR-5 der Firma Hoya Optics, Inc., Es handelt sich um ein mit einem paramagnetischen Material dotiertes Glas mit einem isotropen Brechungsindex, das in Anwesenheit eines magnetischen Feldes Faraday-Drehung verursacht. Die Verwendung eines solchen Faraday-Rotators vermeidet die Depolarisierung der Resonanzboden. Wenn man so nahe wie möglich an der zirkulären Polarisation liegt, werden Kreuzkopplungen und damit teraperaturbedingte Drifterscheinungen aufgrund verbleibender Streuungszentran verringert. Damit erreicht der Drehgeschwindigkeitsmesser Stabilitätswerte, die einer zeitlichen Veränderung der angezeigten Drehgeschwindigkeit von einem Bruchteil eines Grades pro Stunde entsprechen.

In dem Durchgang 108 sind Elektroden für die Anregung des gasförmigen Verstärkungsmediuras vorgesehen. Eine die Kathode bildende Mittelelektrode 22 ist mit dem negativen Anschluß einer externen geregelten Stromversorgungsquelle verbunden. Anoden 32 und 42 sind mit positiven Anschlüssen dieser Quelle 310 verbunden. Die aus Aluminium bestehende Kathode hat die Form eines kurzen Hohlzylinders, der an den: von dem Kreiselblock 102 abgewandten Ende von einer hohlen Metallhalbkugel abgedeckt ist. Letztere ist an der Oberfläche des Kreiselblockes 102 bei der Öffnung 20 befestigt. Die Anoden 32 und 34 haben die Form von Metal1 stäben, die in Elektrodenöffnungen 30 und 40 hineinragen. Bei dieser Konfiguration fließt der Elektronenstrom nach außen zu den Elektroden 32 und 42 in zwei entgegengesetzten Richtungen. Da ein Strahl, der durch die Kanäle verläuft, in welchen die Elektroden angeordnet sind, Stromflüssen gleicher Länge und entgegengesetzter Richtung ausgesetzt ist, werden durch Wechselwirkung des Lichtes mit dem strömenden gasförmigen Verstärkungsmedium verursachte Mitreißeffekte im wesentlichen eliminiert.. Auf Fertigungstoleranzen zurückzuführende

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Ungenauigkeiten im Durchmesser der Kanäle und in den Positionen der verschiedenen Elektroden können jedoch dazu führen, daß die Abstände zwischen der negativen und den beiden positiven Elektroden in den beiden Kanäle nicht genau gleich sind= Um diese Ungleichheit zu kompensieren, sind die Elektroden 32 und 42 mit zwei unabhängigen positiven Ausgangsklemmen der Stromversorgungseinrichtung 310 verbunden, so daß der Stromfluß zwischen den positiven Elektroden und der negativen Elektrode auf unterschiedliche Werte eingestellt und damit ungleiche Mitreißeffekte kompensiert werden können.

Das gasförmige Verstärkungsinedium, das die Kanäle 108, 110, 112 und 114 ausfüllt, wird duch eine Gasfüllöffnung 106 über einen Pumpstutzen 107 von einer externen Gasquelle geliefert. Als Gas wird eine Mischung von 3u_e/ ^0„ und 22_N im Verhältnis 14,0 : 0,54 : C,46 verwendet« Wenn alle Kanäle gefüllt sind, wird der Stutzen 107 abgequetscht, so daß das Gas für den Betrieb des Gerätes eingeschlossen ist. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel, bei welchem die Bohrung 108 einen Durchmesser von 1,956 mm bestitzt, betrug der Druck des Verstärkungsmediums 3 Torr, und der Strom hatte eine Größe von 1,95 ntA„ Die jeweilige Mischung des Verstärkungsmediums, der Druck, die Bohrungsgröße und der Strom werden in der dem einschlägigen Fachmann geläufigen Weise so gewählt, daß die Anforderungen im betreffenden Anwendungsfall erfüllt sind.

Nunmehr sei auf Fig. 4A bis 4G Bezug genommen, die verschiedene Wellentypen zeigen und anhand derer die Arbeitsprinzipien des Drehgeschwindigkeitsmessers gemäß der Erfindung erläutert werden sollen. Fig« 4A zeigt Wellentypen 400, 402 und 404, das sind drei der zahlreichen möglichen longitudinalen Wellentypen für eine gegebene Transversalmoden-Indexgruppe, die in einem vorgegebenen statio-

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nären isotropischen Resonator zur Resonanz kommen können. Ein Wellentyp stelle eine partikuläre Verteilung elektromagnetischer Energie dar, die die Randbedingungen des Resonators befriedigt. Jeder transversale elektromagnetische Wellentyp (TEM) kann durch drei Indizes q, ro und η beschrieben werden, die die Änderungen der magnetischen Felder längs dreier orthogonaler Koordinatenrichtungen, z.B. der z-, x- und der y-Richtung repräsentieren. Die z-Richtung ist hier als Richtung der optischen Achse des Resonators definiert, während die x-Richtung und die y-Richtung zwei zueinander und zur optischen Achse senkrechte Richtungen sind. Für die Ausbreitung in z-Richtung ist q die longitudinale Modenzahl, die die Anzahl der Wellenlängen bezeichnet, die sich in dem Resonator bei einer vorbestimmten Resonanzfrequenz ausbilden. Die Indizes m und η sind die Transversalmoden-Indizes, welche für jeden longitudinalen Wellentyp die Energieverteilung in der transversalen Ebene bezeichnen. Der Gauß'sche oder Grundschwingungstyp entspricht den Transversalmoden-Indizes m = η = 0. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 werden diese Fundamentalmoden verwendet. Andere als fundamentale Longitudinalmoden werden durch Ausblenden unterdrückt. Dieses Ausblenden geschieht in bekannter Weise durch die Spiegel und die Bohrungen zwischen den Spiegeln, so daß ein separates Blendenelement nicht erforderlich ist. Zur Auswahl von Longitudinalmoden mit vorbestimmten Transversalmoden-Indizes kann eine geeignete Blende an einer geeigneten Stelle in dem Ausbreitungsweg angeordnet sein, die bewirkt, daß sich nur bei den vorbestimmten Wellentypen Resonanz ausbildet.

Es sei noch einmal auf Fig. 4A Bezug genommen: Die Frequenzdifferenz zwischen zwei benachbarten Longitudinalmoden mit konstanten Transversalmoden-Indizes wird als freier spektraler Bereich (FSR) bezeichnet und ist für Ringresonatoren durch c/L gegeben, worin c die Lichtgeschwindigkeit in. detn Resonator und L die Weglänge des Re-

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sonators bedeuten. Man kann dies auch so ausdrücken, daß alle Longitudinalraoden den Harmonischen der niedrigsten durch c/L definierten Resonanzfrequenz entsprechen, wobei aufeinanderfolgende Harmonische eine zusätzliche Wellenlänge λ haben (A ist durch L bestimmt). Somit besitzt die n-te Harmonische eine Wellenlänge von A /(n-s-1), d.h. der freie spektrale Bereich ist gleich c/A . Der Resonatorweg kann in einen nichtplanaren Weg gedreht werden, so daß sich - wie oben erläutert - eine richtungsunabhängige Bild- (und Polarisations-) Drehung ergibt. Jeder Longitudinalraode wird dann in eine rechtsdrehende (RCP) und eine linksdrehende (LCP) zirkularpolarisierte Komponente aufgespalten. So wird z.B. gemäß Fig. AB der Wellentyp 400 in die RCP-fiodenkoraponente 406 und die LCP-Modenkomp.onente 408 aufgespalten. Wenn die Bilddrehung gleich 90° ist, werden die rechtsdrehende und die linksdrehende zirkularpolarisierten Modenkomponenten um die Hälfte des freien spektralen Bereiches aufgespalten. Falls die Bilddrehung weniger als 90° beträgt, verringert sich die Aufspaltung proportional. Wenn in den nichtplanaren Resonator ein Faraday-Rotator eingefügt ist, ergibt sich außerdem eine richtungsabhängige Polarisationsdrehung. Dies hat zur Folge, daß jede polarisierte Komponente weiter in ihre beiden gegenläufigen Komponenten aufgespalten wird, wobei die Größe der Frequenzaufspaltung der vorgesehenen Faraday-Drehung proportional ist (Fig. 4C). So wird z.B. in Fig. 4C die RCP-Modenkomponente 406 in eine im Uhrzeigersinn drehende Fiodenkomponente (cw) 418 und eine im Gegenuhrzeigersinn drehende Modenkomponente (ccw) 420 aufgespalten. Die LCP-Wodenkomponente 408 wird in die im Gegenuhrzeigersinn drehende LCP-Nodenkomponente 422 und die im Uhrzeigersinn drehende LCP-Modenkomponente 424 aufgespalten. In ähnlicher Weise werden die orthogonal polarisierten Modenkomponenten 410 (RCP) und 412 (LCP), die jeweils aus den benachbarten Longitudinalmoden 402 entstehen, jeweils aufgespalten in zwei gegenläufige Modenkomponenten 426-428 bzw. 430-432. Das gleiche

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ergibt sich für die nächst benachbarte Longitudinalmode und alle weiteren vorhandenen Longitudinalnoden. Somit werden die richtungsabhängige (nichtreziproke) und die richtungsunabhängige (reziproke) Polarisationsdrehungen dazu verwendet, die vierfache "Frequenzentartung" jeder Longitudinalrespnanzmode zu beseitigen und aus jeder Longitudinalmode vier Komponenten herzuleiten, die jeweils eine andere Resonanzfrequenz und unterschiedlichen Polarisations -Drehsinn' und Richtung besitzen.

Aus Fig. 4D bis 4G ist die Wirkung eines in den oben beschriebenen Resonator eingebrachten Verstärungsraediums erkennbar. Es können nur diejenigen Wellentypkomponenten zur Resonanz kommen, bei denen die Verstärkung größer ist als die in dem Resonator auftretenden Verluste. In Fig. 4D sind vier solche Komponenten dargestellt, die eine symmetrische Frequenzverteilung unter der mit 433 bezeichneten Verstärkungskurve besitzen. Die Wellentypkomponenten 426, 428, 430 und 432 sind die vier Komponenten eines partikulären longitudinalen Wellentyps, im vorliegenden Fall des Wellentyps TEM _m^°2. Sie repräsentieren den Betrieb eines Vierfrequenz-Laserkreisels, wie er z.B. in der US-PS 4 110 045 beschrieben ist. Ihre Frequenzen sind mit f., bis f, bezeichnet. Wenn sich z.B. aufgrund von temperaturabhängiger Ausdehnung oder Kontraktion des Kreiselblockes 102 die Weglänge ändert, verschiebt sich die absolute Frequenz jedes Wellentyps und aller Wellentypskomponenten relativ zu der Mittenfrequenz f der Verstärkungskurve. Eine Ausdehnung um eine halbe Wellenlänge ergibt eine Frequenzverschiebung um die Hälfte des freien spektralen Bereiches. Diejenigen Wellentypkomponenten, die zu Frequenzen verschoben werden, bei denen die Verstärkung geringer ist als der Verlustpegel (d.h. b-^i denen die normierte Verstärkung kleiner als 1 ist), -rfahren keine Resonanz mehr; die-

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jenigen Wellentypkomponenten, die zu Frequenzen verschoben werden, bei denen die Verstärkung größer ist als die Verluste, beginnen zu schwingen. Der FrequenzbereichÄf (Fig. 4D bis 4G), in welchem die Verstärkung größer ist als die Verluste, mit anderen Worten, die Bandbreite, in welcher eine "liettoverstärkung" stattfindet, ist durch das Verstärkungs-/Verlustverhältnis und die Weglänge bestimmt. In Vierfrequenz-Laserkreise In ? wie beispielsweise bei dem in der US-PS 3 741 657 beschriebenen Kreisel, ist kleiner als der freie spektrale Bereich (c/L),, so daß

das Komponentenpaar eines Wellentyps ausgelöscht wird, bevor ein anderes zu Frequenzen verschoben wird, bei denen eine Schwingungsanregung möglich ist, so daß meistens nur vier Frequenzen zu Schwingungen angeregt werden« Eine Änderung der VIeglänge aufgrund thermischer Effekte kann dann dazu führen, daß das Komponentenpaar eines Kellentyps ausfällt, so daß sich ein Zweifrequenz-Betrieb mit den damit verbundenen Vorspannungs-Stabilitätsproblemen einstellt.

Bei dem in Verbindung mit Fig. 1 beschriebenen Laserkreisel ist über einen Frequenzbereich, der größer ist als der freie spektrale Bereich (4D bis 4G), eine Nettoverstärkung gegeben. Dies wird dadurch erreicht, daß der von der Stromversorgungseinrichtung 310 gelieferte Entladungsstrorr: vergrößert wird. Es können auch andere dem einschlägigen Fachmann bekannte Verfahren zur Vergrösserung der Verstärkung angewendet werden. Beispielsweise können der Bohrungsdurchmesser der Entladungsstrecke und der Druck des Verstärkungsmediums oder dessen Zusammensetzung verändert werden. Außerdem können die Betriebstemperatur verändert oder die Resonanzverluste verringert werden. Diese verschiedenen Möglichkeiten können entweder einzeln oder in Kombination angewendet werden. Wenn sich die Weglänge ändert, ergibt sich die in Fig. 4E dargestellte entsprechende Änderung der Re-

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sonanzfrequenzen. Ein neues Frequenzpaar f^ und f^, das die RCP-Komponenten 434 und 436 des benachbarten longitudinalen Wellentyps TEM,. )_mn404 repräsentiert, erfährt nun eine für Resonanzschwingungen hinreichend große Verstärkung, so daß sich ein Sechsfrequenz-Laserkreisel ergibt. Wenn, sich die VJeglänge weiter ändert (Fig. 4F) nimmt die Frequenz der Wellentypkomponenten weiter ab, so daß sie in der Zeichnungsdarstellung weiter nach links unter die Verstärkungskurve driften und sich eine symmetrische Sechsfrequenz-Verteilung ergibt. Fig. 4G veranschaulicht eine weitere Abnahme der Resonanzfrequenzen, die eine neue Vierfrequenz-Verteilung zur Folge hat, da die Wellentypkomponenten 426 und 428, deren Frequenzen f,. und f_? außerhalb von Δί liegen, ausgelöscht werden. Die Polarisierung der verbleibenden beiden Komponentenpaare, d.h. des unteren RCP-Paares f^, und f. und des oberen RCP-Paares fj- und fg ändert sich gegenüber der Darstellung gemäß Fig. 4D mit dem unteren RCP-Paar f., und f~ und dem oberen LCP-Paar f_c und f_c. Wenn sich die Weglänge weiter ändert, driftet die Frequenzverteilung der Wellentypkomponenten ebenfalls weiter, wobei abwechselnd Vierfrequenz- und Sechsfrequenz-Betrieb auftritt.

Es sei nunmehr wieder auf Fig. 1 Bezug genommen: Sie zeigt eine von einer optischen Konstruktion 1^4 gebildete Ausgangseinrichtung. Die optische Konstruktion 144 trägt zwei Dioden 145 und 146 und trennt das linksdrehende zirkularpolarisierte sich gegenläufig ausbreitende Frequenzpaar bzw. die entsprechenden Frequenzpaare von dem rechtsdrehenden zirkularpolarisierten sich gegenläufig ausbreitenden Frequenzpaar bzw. den entsprechenden Frequenzpaaren, wobei die Frequenzen jeder Polarisations-Drehrichtung von einer separaten Diode erfaßt werden. Die Diode 145 liefert beispielsweise ein Signal Δίη^ρ auf einem ersten Ausgangskanal, das der Schwebungsfrequenz

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des RCP-Paares, z.B. (f ₂~f..) und (fg-fj.) entspricht» Die Diode 146 liefert ein Signal Afjrp auf einem zweiten Ausgangskanal, das der Schiebungsfrequenz des LCP-Paares^ z.B. (f,-f,) entspricht. Im Ruhezustand sind die--Schwebungsfrequenzen oder Frequenzdifferenzen gleich und entsprechen der Faraday-Polarisation. Bei Vorhandensein einer Drehung wächst eine der Differenzfrequenzen an, während die andere abnimmt; Betrag und Richtungssinn der Änderung srnd von der Richtung und Geschwindigkeit der Drehung abhängig« Die beiden Differenzsignale werden einer Auswerteelnrichtung 312 zur weiteren Verarbeitung und Anzeige zugeführt. Der Unterschied der beiden Differenzfrequenzen ist der Drehgeschwindigkeit des Kreiselblockes 102 direkt proportional. Die Auswerteeinrichtung 312 erzeugt ein die Drehgeschwindigkeit repräsentierendes Ausgangssignal, indem es die beiden Differenzsignale den betreffenden Eingängen eines Auf-/ Abwärtszählers zuführt.

Der Skalenfaktor eines Laserkreisels verbindet die Drehgeschwindigkeit mit der meßbaren Ausgangsfrequenz. Dieser Skalenfaktor kann als das Produkt Kq angegeben werden, worin q die longitudinale Wellentypzahl und K ein Proportionalitätsfaktor sind, der von der Form des Laserkreisels abhängt. Da die Komponenten des Wellentyps unter der Verstärkungskurve in Abhängigkeit von beispielsweise einer gleichförmigen Ausdehnung des Blockes 102 driften, ändert sich die Zahl q des VJellentyps, wenn neue Wellentypen zur Resonanz kommen. Eine Ausdehnung des Kreisels um einen freien Spektralbereich fügt der Weglänge genau eine weitere Wellenlänge hinzu und bewirkt damit eine relative Änderung des Skalenfaktors um q/(q+i). Bei typischen Laserkreiseln entspricht dies nur einem oder zwei Teilen pro Million (ppm) der relativen Änderung des Skalenfaktors. Eine solche ist für die meisten Anwendungen akzeptierbar und kann für höhere Genauigkeitsanforderungen

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kompensiert werden. Bekanntlich ergibt sich eine zusätzliche Änderung des Skalenfaktors aufgrund der Positionen der Wellentypen unter der Verstärkungskurve infolge der Frequenzdispersion des Verstärkungsmediums. Dies geht aus der üblichen vereinfachten Form des Skalenfaktors nicht hervor. Für geringe Genauigkeitsanforderungen können diese Änderungen hingenommen werden.

Das Auftreten eines weiteren Wellentyps, d.h. eines dritten Komponentenpaares, ist mit den Betriebsbedingungen eines Laserkreisels nicht vereinbar, da das Verstärkungsmedium selbst für die sich ausbreitenden Wellen einen frequenzabhängigen Brechungsindex aufweist. Die Wellen erfahren eine entsprechend unterschiedliche Vergrößerung ihrer Phasenverschiebung, die ihnen von dem Verstärkungsmediura mitgeteilt wird. Dies führt zu einem Fehler bei der Drehgeschwindigkeitsmessung. Das Auftreten der Komponentenpaare zweier Wellentypen gleicher Polarisation und leicht unterschiedlicher Frequenz, beispielsweise der in Fig. 4F dargestellte'n Frequenzpaare (f.. , f~) und (f;-, fg) führt zu einer Amplitudenmodulation im Ausgangskanal, die der genannten Polarisation entspricht, da ihre entsprechenden Frequenzdifferenzen, z.B. das Schwebungssignal (fg-fc), das von der im Uhrzeigersinn drehenden RCP-Komponenten 434 und der im Gegenuhrzeigersinn drehenden RCP-Komponenten 436 erzeugt wird, und das Schwebungssignal (fp-f^), das von der im Uhrzeigersinn drehenden RCP-Koraponenten 426 und der im Gegenuhrzeigersinn drehenden RCP-Komponenten 428 erzeugt wird, ebenfalls miteinander eine Schwebung bilden, die offensichtlich Änderungen der Drehgeschwindigkeiten und sogar einen Verlust im Ausgangssignal verursachen.

Es wurde herausgefunden, daß eines der einem Wellentyp zugeordneten Komponentenpaare, z.B. die Komponenten 426 und 428 des.RCP-WeIlentyps (Fig. 4E) mit den Fre-

α *·*> οο 0»ο« ta a © φ <* ß

Tj fl O « ρβ*Λ

A η »>s OO OO β *» «

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quenzen f<. und fp die Frequenzen des Komponentenpaares des gleich polarisierten Wellentyps, im vorliegenden Beispiel die Komponenten 434 und 436 des RCP-WeIleatyps mit den Frequenzen fj- und ir über die Raummodulation des Verstärkungsmediuras stört, wenn die Komponenten von in Resonanz befindlichen Wellentypen mit unterschiedlichen longitudinalen Mellentypindizes eine Verstärkung erfahren, die über einem vorbestimmten Schwellwert liegt. Dies hat zur Folge, 'daß eine Schwingungsfrequenz (fg-fg) mit der anderen Schwingungsfrequenz (f~-f,.) cohärent synchronisiert oder phasenstarr verriegelt ist» Das Komponentenpaar f, und f. des entgegengesetzt polarisierten Hellentyps v/ird durch die Anwesenheit des zusätzlichen Hellentyppaares nicht gestört. Da alle Frequenzdifferenzen von Schwingungspaaren einer gegebenen Polarisation jetzt identisch sind, erzeugt jeder der beiden Ausgangskanäle ein Signal, z.B. f\rp bzw. forp/ welches keine Fremdir.odulation aufweist. Damit ist der Kreiselbetrieb mit sechs Frequenzen im wesentlich der gleiche wie derjenige mit vier Frequenzen.

Fig. 5A zeigt die Frequenz des Ausgangssignals in Abhängigkeit von der Weglänge. Man erhält das Ausgangssignal durch Differenzbildung zwischen den beiden Ausgangskanälen, d.h. zwiscnen den Schwebungssignalen Äfnpp und Αϊ, pp, wobei jedes dieser beiden Schwebungssignale durch Mischung der Wellentypkosnponenten mit jeweils gleichem Polarisations-Drehsinn erzeugt wird. Für einen Laserkreisel wird das im Ruhezustand auftretende Ausgangssignal mitunter als "Ausgangsvorspannung" bezeichnet, da das Ausgangssignal in vielen Fällen für eine bestimmte Realisierung eines Mehrfrequenz-Laserkreisels im Ruhezustand eine scheinbare Drehgeschwindigkeit anzeigt. Die punktierte Linie (Fig. 5C) kennzeichnet die Geschv.'indigkeit der Erdrotation. Die in Fig. 5A und 5C dargestellten Vierte wurden unter Ver-

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wendung eines piezoelektrischen Wandlers zur Steuerung der Position des Spiegels 160 erhalten und dadurch, daß letztere durch Anlegen einer linearen ansteigenden Spannung an den Wandler so verstellt wird, daß die Weglänge sich über einen freien Spektralbereich ändert. Hierdurch werden die Wirkungen von Änderungen in der optischen Länge des Hohlraumes z.B. aufgrund einer Ausdehnung des Kreiselgehäuses oder aufgrund von Änderungen des Brechungsindexes des in dem Hohlraum enthaltenen Gases simuliert. Fig. 5 B zeigt in schematischer Form das Muster der Wellentypkomponenten, welches die Anwesenheit von entweder zwei Paaren (Vierfrequenzbetrieb), z.B. der Wellentypmuster A, C und E, oder von drei Paaren (Sechsfrequenzbetrieb), Wellentypmuster B und D, in Abhängigkeit von der Weglänge kennzeichnen. Es sind lediglich die symmetrischen Muster gezeigt, die das Zentrum des Bereiches bezeichnen, in welchem ein Betrieb in dem dargestellten Status stattfindet. Wenn sich die Weglänge jedoch ändert, ändern sich die Wellentypen gleichförmig von einem Status zum anderen. Die Übergänge sind durch die Pfeilspitzen gekennzeichnet. In jedem Zustand ändert sich die Ausgangsvorspannung näherungsweise linear mit der Weglänge oder der Position des Wellentyps. Während jedes Überganges zwischen zwei Zuständen findet auch eine starke Vor-. Spannungsverschiebung statt. Diese großen Vorspannungsverschiebungen und die lineare Änderung während jedes Überganges sind auf die Frequenzdispersion des Verstärkungsjriediums zurückzuführen. Dies wird weiter unten noch näher erläutert.

Die Frequenzdispersion des Verstärkungsmediums ist auf den frequenzabhängigen Brechungsindex des verwendeten Mediums zurückzuführen. In Fig. 6A bis 6C ist die Verstärkungskurve aufgetragen, die für ein He-Ne-Verstärkungsmedium aufgrund einer Dopplerverbreiterung im wesentlichen die Gestalt einer Gauß¹sehen Kurve besitzt.

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Die Dispersionskurve kann als Sigrnoid beschrieben werden» Sie gibt den Grad der optischen Phasenverschiebung φ an, die eine Welle rait einer bestimmten Frequenz durch das Verstärkungsraedium erfährt» Wie aus Fig. 6B zu ersehen ist, erfahren Frequenzen unterhalb der Mittenfrequenz f eine Phasenverschiebung, die derjenigen von Frequenzen oberhalb der Mittenfrequenz f entgegengesetzt ist. Dies führt dazu, daß sämtliche Wellentypen in Richtung auf das Zentrum der Kurve verschoben v/erden. Dies ist der sogenannte Mitnahmeeffekt. Da die Dispersionskurve nichtlinear ist, befinden die vier Wellentypen eines Differential-Kreisels sich an Punkten mit unterschiedlichen Dispersionswerten und haben dementsprechend unterschiedliche Phasenverschiebungsbeträge (Fig. 6b). (J)₁ ist die Phasenverschiebung bei der Frequenz f., φ₂ entspricht der Frequenz fp, Φ₅ der Frequenz f, und φ, der Frequenz f^. Falls die Differenz ify*-^^ sich ^von der Differenz (φ^-φ*) unterscheidet, ergibt sich bei Stillstand ein von Null verschiedener Differentialausgang, der von der Gestalt der Dispersionskurve abhängig ist. Letztere hängt ihrerseits von einer Reihe von Faktoren ab, beispielsweise von der Temperatur, dem Verstärkungsgrad und dem Druck» Wenn sich einer dieser Faktoren ändert bewirkt diese Änderung eine Verschiebung der vier. Wellentypen über die Dispersionskurve hin, die aufgrund ihres nichtlinearen Verlaufes eine Änderung des Differentialausganges bewirkt. Somit weist der Laserkreisel eine Drift seiner Ausgangsfrequenz auf, die sich in Abhängigkeit von einer Vielzahl von Faktoren ändert.

Das vorliegend beschriebene Ringlaser-System nutzt den Zeeman-Effekt aus, um die Drift aufgrund der Dispersion des Verstärkungsmediums zu beseitigen. Der Zeeman-Effekt betrifft die Aufspaltung der Spektra!linien eines gasförmigen Lasermediums in zwei oder mehrere Komponenten durch Anlegen eines magnetischen Feldes. Diese Frequenzaufspaltung resultiert in einer Aufspaltung der Verstar-

331H292

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kungskurve und ihrer zugeordneten Dispersionskurve. Der physikalische Mechanismus ist das quantenmechanische Phänomen, nach welchem ein Magnetfeld H die atomaren Energieniveaus in mehrere Zustände aufspaltet, die jeweils unterschiedliche Energien besitzen und mit Wellen einer vorbestimmten zirkulären Polarisation in Wechselwirkung treten. Dies ist in Fig. 7 dargestellt, die auf der linken Seite des Energiediagramms ein typisches Energieniveaubild zeigt, das sich ergibt, wenn kein magnetisches Feld vorhanden ist. In diesem Fall ist die Strahlungsfrequenz f =(E₂-E,.)/h, worin Ep und E₁. die beiden Energieniveaus und h das Planck'sehe Wirkungsquantum bezeichnen. Die rechte Seite des Diagramms zeigt, in welcher Weise die Energieniveaus sich bei Anwesenheit eines magnetischen Feldes aufspalten. Die Linien 242 verdeutlichen die Übergänge zwischen den Energieniveaus entsprechend Δω=+1, die in einer Gruppe von Strahlungsfrequenzen resultieren, beispielsweise der Mittenfrequenz der aufgespaltenen Dispersions linie 250 von Fig. 6C. Diese Mittenfrequenz hat den Wert f.=f -g0H/h. Die Linien 244 zeigen die Übergänge zwischen den Energieniveaus entsprechend Δm=-1, die die andere Gruppe von Strahlungsfrequenzen ergeben, so z.B. die Mittenfrequenz für die Aufspaltungsdispersionskurve 260 von Fig. 6C. Diese Mittenfrequenz hat den Wert f=f +gßH/c. In den zuletzt angegebenen Gleichungen bedeuten g den Lande-G-Faktor, β das Bor'sehe Magnetron und h das Planck'sehe Wirkungsquantum. Die vier zirkulierenden Wellentypen haben unterschiedliche Werte der Änderung m der magnetischen Quantenzahl m des Keontoms geir.äß folgender Tabelle

Schwingungstyp Nr. Umlaufrichtung Polarisationssinn 4m

1 Uhrzeigersinn LCP +1

2 Gegenuhrzeigersinn LCP -1

3 Uhrzeigersinn RCP +1

4 Gegenuhrzeigersinn RCP -1

ο ς»

Der Zeeman-Effekt ist sowohl polarisations- als auch richtungsabhängig. Der Grund hierfür liegt darin, daß der Drehsinn des elektrischen Feldvektors der Lichtwellei- wenn er über das magnetische Feld gemessen wird, mit dem Spin der Elektronen in Wechselwirkung steht, deren Energieniveaus durch das Feld aufgespalten werden« Dementsprechend tritt eine der resultierenden Dispersionskurven mit einer rechtsdrehenden zirkulär polarisierten Welle in Wechselwirkung, die in einer Richtung parallel zur Richtung der magnetischen Feldes wandert sowie mit einer linksdrehenden zirkulär polarisierten Welle, die sich in antiparalleler Richtung bewegt, d.h. entgegen der Richtung des magnetischen Feldes, während die andere Dispersionskurve mit einer RCP-Welle in Wechselwirkung steht, die antiparallel zum elektrischen Feldvektor wandert, sowie mit einer LCP-Welle, die in derselben Richtung wie das magnetische Feld wandert.

Da die Werte von Am verschiedenen Atomübergängen entsprechen, werden letztere durch den Zeeman-Effekt um einen Betrag 2gfBH/h aufgespalten. In Fig. 6C sind Aufspaltungsdispersionskurven und die entsprechenden Phasenverschiebungen für die vier VJellentypkoiriponenten für eine vorbestimmte Betriebsart des Kreisels dargestellt« Falls das magnetische Feld so beschaffen ist, daß die Linie für ΔίΡ.=+1 in der Frequenz um einen der Frequenzdifferenz (ΐ^-ΐ*) entsprechenden Betrag niedriger liegt als die Kurve ns= + 1 , ergeben sich Linien 270 und 272 gleicher Höhe, d.h. der Betrag der Phasenverschiebung für £* und f~ ist gleich. Die Linien 274 und 276 haben ebenfalls die gleiche Höhe, was bedeutet, daß auch die Frequenzen f^ und f, gleiche Beträge der Phasenverschiebung haben«, Man sieht daraus, daf3 bei einer Drift der Schwingungskomponenten längs der Dispersionskurve oder bei Änderungen der Dispersionskurve z.B, aufgrund von Teir.pera turanderungen, die Dispersion der Schwingungs-

komponenten f., stets gleich derjenigen der Schwingungskomponenten fp und die Dispersion der Schwingungskomponenten f, gleich derjenigen der Schwingungskomponenten f, ist. Da somit externe Einflüsse nur geringe Änderungen in den Betriebsfrequenzen verursachen, bleibt die Nettodifferenz bei einem Differentialausgang die gleiche. Um die Dispersionsdrift zu beseitigen muß das magnetische Feld für den Zeeman-Effekt folgende Bedingung erfüllen: Faraday-Vorspannung = 2g β H/h = (3,64 MHz/Gauss)H. Dies führt zu einem Kreiselsystem, dessem Ausgangsvorspannung eine solche Stabilität aufweist, daß sie sich um wesentlich weniger als ein Grad pro Stunde ändert.

Aus Fig. 1 und 2 kann ersehen werden, daß das für die Aufspaltung der Dispersionskurve nach dem Zeeman-Effekt erforderliche magnetische Feld bei einem "Billiggerät" durch Permanentmagneten 201, 203, 205 und 207 erzeugt wird, die in der Nachbarschaft des für die Entladung vorgesehenen Kanals 108 angeordnet sind. Jeder dieser Magnete erzeugt ein magnetisches Feld, das eine Komponente in Richtung der Achse einer entsprechenden Entladungsregion innerhalb des Kanals 108 besitzt. Größe und Polarität der magnetischen Feldkomponenten sind so eingestellt, daß eine Zeeman-Frequenzaufspaltung erzeugt wird, die gleich der Faraday- Frequenzaufspaltung ist, wobei die Aufspaltung eine Richtung hat, welche die Empfindlichkeit der Wellen gegenüber dem Verstärkungsnediuni ir. oben beschriebenen Sinn beseitigt. Um ein gleichförmigeres Magnetfeld zu erzielen, sind vier separate Kagnete vorgesehen. Die Gleichförmigkeit des magnetischen Feldes ist jedoch nicht kritisch, es genügt, daß das resultierende oder durchschnittliche magnetische Feld im Verstärkungsmedium den erforderlichen Wert aufweist.

Im folgenden sei auf Fig. 5B und 5C Bezug genommen. Fig. 5C zeigt das Ausgangssignal als Funktion der Weglänge. Es ist

O GO O Ö<J 0 OG a « D O

O O β Q O O OQ O

Ο4ΟΟ ft φ β O Φ O

« οο ο « σ οο «ο

erkennbar, daß die durch die Dispersion verursachte Änderung des Ausgangssignals sowie dessen Diskontinuitäten beim Übergang der Wellentypen im wesentlichen eliminiert sind.

Einer der wichtigen Vorteile der in Fig* 1 dargestellten Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß dieser Laserkreisel sich bei durchaus brauchbaren Genauigkeitswerten wesentlich billiger herstellen läßt als dies bisher möglich war. Die" Tatsache, daß sich ein stabiles Ausgangssignal selbst dann erzielen läßt, wenn die Komponenten der Wellentypen eine Frequenzdrift auf v/eisen, erlaubt einen Betrieb des Kreisels ohne Meglängensteuerung und ohne die Verwendung eines teueren Kreiselblockmaterials mit ultraniedrigem Ausdehnungskoeffizienten. Für alle bisher bekannten Laserkreisel, z.B. den in der US-PS 4 284 329 beschriebenen Kreisel, sind hingegen sin temperaturstabiler Block und Weglängensteuerung eine wesentliche Voraussetzung.

Nachdem gezeigt wurde, daß sich bei einem Laserkreisel die Verstärkungsbandbreite vergrößern und die Drift des Drehgeschwindigkeitssignals vom Sechs-(oder Mehr-)-Frequenzbetrieb durch Synchronisation der Schwebungsfrequenzen gleichpolarisierter Komponentenpaare verringern lassen, ermöglicht der Laserkreisel gemäß der Erfindung eine weitere Verringerung des hausehanteiles in dem Drehgeschwindigkeitssignal durch Vergrößerung der in dem Laserkreisel zirkulierenden Leistung, v,'odurch der durch spontane Emission verursachte Rauschpegel verringert wird, und durch Verwendung eines temperaturstabilen Körpers, wodurch die auf dem Temperaturänderungen zurückzuführenden Rauschpegel verringert werden. Die Temperaturstabilität ergibt sich durch Verwendung eines Kreiselblockes 102 aus einem Material mit einem sehr niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, z.B. aus einem glaskeramischen Material, wodurch die Auswirkungen von Temperaturänderungen auf das Ringlaser -Drehgeschv:indigkeitsir,ejssersystem minimiert werden. Ein geeigne-

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ter Werkstoff ist das unter der Bezeichnung Cer-Vit, C-101 erhältliche Material der Firma Owens- Illinois Company. Ein geeigneter Werkstoff ist außerdem das unter der Bezeichnung "Zeredur" erhältliche Material der Firma Schott Optical Glass, Inc..

Im folgenden sei auf Fig. 8 Bezug genommen. Es ist zweckmäßig, daß die Komponenten der Wellentypen beim Betrieb des Laserkreisels symmetrisch um das Maximum der Verstärkungskurve zentriert sind. Diesem Zweck dient ein piezoelektrischer Wandler 162, der auf der Rückseite des Spiegels 160 angeordnet ist und mittels dessen sich die Ebene des Spiegels 160 relativ zu der Fläche 128 in seiner Position verstellen läßt, so daß sich die Gesamtweglänge innerhalb des Laserkreisel-Hohlraumes 102 zum Zwecke der genannten Frequenzzentrierung justieren läßt. Eine mit 320 bezeichnete Weglängensteuerung leitet aus den Signalen der Detektordioden 145 und 146 ein Signal zur Betätigung des piezoelektrischen Wandlers 162 ab. Die Amplituden dieser Signale sind den Gesarrtamplituden der entsprechenden RCP-unci LCP-Kanalsignale proportional. Die Steuerung 320 erzeugt ein Signal, das der Differenz zwischen diesen beiden Amplitudensignalen entspricht. Das Ausgangsdifferenzsignal wird so eingestellt, daß es die Amplitude Null hat, wenn die Wellen der verschiedenen Frequenzen symmetrisch urr das Maximum der Verstärkungskurve zentriert sind. Das Ausgangsdifferenzsignal besitzt eine erste Polarität, wenn die genannten Frequenzn in einer ersten Richtung dezentriert sind und die entgegengesetzte Polarität, wenn sie in der anderen Richtung dezentriert sind. Durch eine dem einschlägigen Fachmann bekannte Schaltung lassen sich Mittelwertamplitudensignale gewinnen; das Ausgangssignal dieser Schaltung wird den Eingängen des piezoelektrischen Wandlers 162 zugeführt.

Bei dem in Fig. .8 dargestellten hochpräzisen Laserkreisel

OO 0 β ···« «· β β β ·

> ο O O ** β Οβ ·

3318:

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wird das für die Zeeman-Aufspaltung der Dispersionskurven erforderliche Magnetfeld durch Spulen erzeugt, die um den das Verstärkungsmedium enthaltenden Kanal angeordnet sind. In dem Kreiselblock 102 sind Bohrungen angebracht, die Durchgänge 200, 210, 220 und 230 für die genannten Spulen bilden. Die Spulen 202 und 212 sind auf der einen Seite der Kathode 22 angeordnet, während die Spulen 222 und 232 sich auf der anderen Seite der Kathode 22 befinden, so daß sich Zeeman-Aufspaltung über den gesamten aktiven Bereich des Kreiselweges ergibt. Um ein gleichförmigeres Magnetfeld in dem Lasergas zu erreichen, sind vier Spulengruppen vorgesehen; es kann jedoch auch jede beliebige andere Anordnung Anwendung finden, die in dem Lasergas eine longitudinale magnetische Feldkomponente erzeugt. Die Spulen 202, 212, 222 und 232 sind um den Kanal 108 angeordnet. Alle vier Spulen werden vorzugsweise von einer einzigen Quelle gesteuert, die einen Strom von solcner Größe und Polarität liefert, daß in den Kanälen ein magnetisches Feld entsteht, welches eine Aufspaltung in Dispersionskurven gleicher Größe bewirkt, derart daß die Aufspaltung der von dem Faraday-Rotator 156 gelieferten Faraday-Vorspannung nach Frequenz und Richtung so ist, daß die Empfindlichkeit der Wellen gegenüber dem Verstärkungsmedium im angegebenen Sinn beseitigt wird.

λaη regelt vorzugsweise die Starke des zur Erzeugung der Zeerr.an-Aufspaltung erforderlichen Magentfeldes relativ zu der von dem Faraday-Rotator bewirkten Faraday-Vorspannung. Zu dieser:. Zweck sind die Ausgänge der Dioden mit einer Disperrionssteuerung 300 verbunden. Letztere bildet ein Signal, das den Mittelwert der beiden Frequenzdifferenzen bezeichnet und somit auch bei Drehung des Kreisels ein Maß für die Faraday-Vorspannung ist. Weitere Schaltungen in der Dispersionssteuerung 300 beaufschlagen die Spulen 202, 212, 122 und 232 mit einem Strom, der eine Funktion dieses Faraday-Vorspannungssignals ist und in dem Kanal 108 ein Magnetfeld

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erzeugt und aufrechterhält, durch das die Dispersionskurve in einem Maße aufgespalten wird, das der durch die Faraday-Vorspannung bewirkten Frequenzaufspaltung gleicht. Das für diese Dispersionsgleichheit erforderliche Magnetfeld H ist H = Faraday-Vorspannung/2g(S h = Faraday-Vorspannung in Hz/3i-64 χ 10 Oe. Der Strom zur Erzeugung dieses Magnetfeldes ist bekanntlich der Anzahl der Spulenwindungen proportional.

Es wurde herausgefunden, daß der paramagnetische Faraday-Rotator, der bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel Verwendung findet, eine Faraday-Vorspannung erzeugt, deren Charakteristik der Temperatur umgekehrt proportional ist. Durch die Dispersionssteuerung 300 wird das magnetische Feld für die Zeeman-Aufspaltung derart gesteuert, daß die ermittelte Faraday-Vorspannung nachgeführt und somit die Dispersionsgleichheit von der Tenperaturabhängigkeit der Faraday-Vorspannung unabhängig gemacht wird. Die Steuerung 300 erzeugt einen Strom, dessen Amplitude eine Funktion eines Signals ist, das der gemessenen Faraday-Vorspannung, z.B. dem Mittelwert der Signalfrequenzen der Photodetektoren 145 und 146, entspricht. Die Beziehung zwischen dem Magnetfeld, dessen Polarität von dem Wickelsinn der Spulenwindungen abhängt, sowohl zu der Faraday-Vorspannung als auch zu der Windungszahl der Spulenwicklungen wird durch einige Proportionalitätskonstanten berücksichtigt. Eine ins einzelne gehende Beschreibung der Steuerung 300 erübrigt sich, da der Entwurf solcher Schaltungen dem einschlägigen Fachmann bekannt ist.

Der einschlägige Fachmann ist auch ohne weiteres in der Lage, weitere zweckmäßige Änderungen anzubringen: So können z.B. die Grundlagen der Erfindung, die in der vorangehenden Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen mit einem nichtplanaren Ausbreitungsweg und einem dünnen Faraday-Rotator erläutert.wurden, ohne weiteres auch auf Ausführungs-

a ti ο · ο ·» ο · αν ο

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formen mit. anderer Aufbereitung der Vorspannung Anwendung finden. Die Erfindung ist auch keineswegs auf einen Betrieb mit sechs Frequenzen beschränkt sondern kann auch Anwendung finden bei Systemen, die mit mehr als sechs Frequenzen arbeiten.

Claims (27)

1. Patentansprüche

   1»yRinglaser-Drehgeschwindigkeitsnesser

   - mit einem ringförmigen Resonator alt einem vorgegebenen freien Spektralbereich, in welchem sich in gegenläufigen Richtungen ausbreitende elektromagnetische Wellen anregbar sind,

   - sowie mit einem in zumindest einem Teilbereich des Resonators vorhandenen VerstärkungsnsediuH!*

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die in zumindest einem Teilbereich des Resonators erzeugbare Gesamtverstärkung sich über einen Frequenzbereich erstreckt, der größer ist als der genannte freie Spektralbereich.
2. 2. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

   - daß in dem Äusbreitungsweg des Resonators eine Mehrzahl longitudinaler elektromagnetischer Feldtypen zur Resonanz anregb.ar sind, die vorbestimmte die transverale Feldverteilung kennzeichnende Indizes besitzen und deren Frequenzen einen vorbestimmten Frequenzabstand aufweisen,

   - daß Mittel zur Unterdrückung von Feldtypen vorgesehen sind, die andere als die genannten vorbestimmten Indizes der transversalen Feldverteilung aufweisen,

   - und daß die sich in dem Resonator ausbreitenden Hellentypen über einen Frequenzbereich, der größer ist als der genannte Frequenzabstand, eine Gesaaitverstärkung erfahren .
3. 3. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1 oder 2, d a durch gekennzeichnet,

   - daß die sich in dem Resonator gegenläufig ausbreitenden elektromagnetischen Wellentypen ausschließlich einer Gruppe von Wellentypen mit gleichen die transversale Feldverteilung, kennzeichnenden Indizes engehören, die

   sich in longitudinaler Richtung in Resonanz befinden,

   - und daß der Frequenzbereich, in welchem eine Gesamtverstärkung stattfindet, größer ist als der Frequenzabstand zwischen zwei benachbarten Exemplaren der genannten anregbaren Wellentypen, wobei diese benachbarten Wellentypen unterschiedliche jedoch aufeinanderfolgende die longitudinale Feldverteilung angebende Indizes haben.
4. 4. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem Resonator ausbildenden Wellentypen mit gleichen transversalen und unterschiedlichen aufeinanderfolgenden longitudinalen Indizes jeweils aus sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten bestehen.
5. 5. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,

   - daß die anregbaren Wellentypen für jede von zwei orthogonalen Polarisationsrichtungen sich gegenläufig ausbreitende Komponenten aufweisen,

   - daß Mittel zur Erzeugung einer Frequenzaufspaltung zwischen den Komponenten mit zueinander orthogonalen Polarisationsrichtungen vorgesehen sind,

   - daß Mittel zur Frequenzaufspaltung zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten für jede Polarisationsrichtung vorgesehen sind,

   - und daß die sich ausbreitenden Wellentypkomponenten in einem Frequenzbereich eine Gesamtverstärkung erfahren, der größer ist als der Bereich, der durch die Summe des zwei benachbarte longitudinale Wellentypen trennenden Frequenzabstandes und der Frequenzaufspaltung zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten definiert ist, wobei die Gesamtverstärkung hinreichend groß ist, um ein Einrasten der Differenzfrequenz zwischen einem ersten Paar sich gegenläufig ausbreitender Kompo-

   nenten eines ersten longitudinalen Wellentyps auf die Differenzfrequenz zwischen einem zweiten Paar sich gegenläufig ausbreitender Komponenten gleicher Polarisation eines zweiten und zum ersten benachbarten Ingitudinalen Wellentyps zu ermöglichen, wenn beide Komponenten des zweiten Paares zu Resonanz angeregt werden.
6. 6. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der vorhegehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem Resonator ausschließlich ausbildenden Wellentypen, die eine vorbestimmte Kombination von Transversalindizes aufweisen und durch einen vorbestimmten Frequenzabstand voneinander getrennt sind, in jeweils vier Komponenten unterschiedlicher Frequenz aufgespalten werden, wobei diese Komponenten in jeweils zwei orthogonal polarisierte Paare unterteilt sind, deren jedes zwei sich gegenläufig ausbreitende Komponenten umfaßt und daß die das Verstärkungsmedium beinhaltende Verstärkungseinrichtung eine zusammengesetzte Verstärkung besitzt, die eine Gesamtverstärkung der sich ausbreitenden Wellenkomponenten über einen Frequenzbereich bewirkt, der größer ist als die Summe des genannten Frequenzabstandes und der Frequenzdifferenz zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten, wobei die Verstärkung hinreichend groß ist, ein Einrasten der Frequenzdifferenz aller in Resonanz befindlichen gleichpolarisierten Komponentenpaare unterschiedlicher Wellentypen zu ermöglichen.
7. 7. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 7, d a d u r c h gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Aufspaltung der Wellentypen in jeweils vier Komponenten

   - Mittel zur Erzeugung einer polarisationsabhängigen Phasenverschiebung der Wellen sowie

   - Mittel zur Erzeugung einer richtungsabhängigen Phasenverschiebung der Wellen

   umfaßt.
8. 8. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 1 bis 5,dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem Resonator ausschließlich ausbreitenden longitudinalen elektromagnetischen Wellentypen, die aufeinanderfolgende Longitudinalindizes und vorbestimmte Transversalindizes besitzen und die jeweils durch einen vorbestimmten Frequenzabstand voneinander getrennt sind, in vier individuelle zirkularpolarisierte Wellentypkomponenten mit jeweils unterschiedlicher Frequenz aufgespalten werden, die in zwei orthogonal polarisierten Paaren angeordnet sind, wobei jedes Paar zwei sich gegenläufig ausbreitende Komponenten mit gleichem Drehsinn der zirkulären Polarisation umfaßt, und daß der Frequenzbereich, in welchem eine Gesamtverstärkung stattfindet, größer ist als der genannte Frequenzabstand zwischen benachbaren longitudinalen Wellentypen und wenigstens sechs Wellentypkomponenten beinhaltet, nämlich vier Komponenten eines ersten der longitudinalen Wellentypen und zwei Komponenten eines zweiten, dem ersten benachbarten longitudinalen Wellentyps.
9. 9. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet,

   - daß die sich in dem ringförmigen Resonator ausbreitenden Wellen eine Mehrzahl von elektromagnetischen TEi¹J Schwingungstypen sind, worin m und η die Transversalindizes jeder der Mehrzahl von Schwingungstypen bezeichnen und für die einzelnen Schwingungstypen konstant sind, und q den Longitudinalindex bezeichnet und für jeden der Mehrzahl von Schwingungstypen eine unterschiedliche Zahl einer Reihe aufeinanderfolgende ganzen Zahlen ist,

   - daß eine Einrichtung zur Trennung jedes der genannten Schwingungstypen in vier zirkularpol arisierte Schv/ingungstypkomponenten mit unterschiedlichen Frequenzen vorgesehen ist, wobei diese Komponenten in zwei orthogonal polarisierte Paare unterteilt sind und jedes Paar zwei gleichpolarisierte Komponenten umfaßt, die den

   «β ee

   — 5 —

   ringförmigen Resonator in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen,

   - daß die das Verstärkungsmedium beinhalten/ ¥erstärkungs~ einrichtung eine Verstärkung erzeugt, die ausreichend groß ist, um die Anregung von wenigstens sechs benachbarten Schwingungs-typkomponenten zu ermögliehen, wobei vier dieser sechs Komponenten je vier getrennte Komponenten eines ersten Schwingungstyps TEM ^ und die beiden anderen Komponenten zwei der vier getrennten Komponenten eines zweiten, dem ersten benachbarten, Schwingungstyp ^^(_oi₊-])_ra, sind,

   - und daß eine Einrichtung zur Erzeugung eines sich in Abhängigkeit von der Drehgeschwindigkeit des Resonators ändernden Ausgangssignals vorgesehen ist, die folgende Teile umfaßt:

   — Mittel zur Erzeugung eines ersten Frequenzdifferenzsignals, das der Frequenzdifferenz zwischen sich gegenläufig ausbreitenden Schwingungstypkomponenten mit einem ersten Polarisations-Drehsinn entspricht,

   — Mittel zur Erzeugung eines zweiten Frequenzdifferenzsignals, das der Frequenzdifferenz zwischen denjenigen der genannten sich gegenläufig ausbreitenden Schwingungstypkomponenten entspricht, die einen zum ersten orthogonalen zweiten Polarisations-Drehsinn besitzen,

   -- sowie Kittel zur Erzeugung eines aus dem ersten und dem zweiten Frequenzdifferenzsignal abgeleiteten Signals, dessen Frequenz zur Frequenzdifferenz zwischen dem ersten und dem zweiten Frequenzdifferenzsignal in Beziehung steht.
10. 10. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in dem ringförmigen Resonator ausbildenden Resonanz-Schwingungstypen einen Frequenzabstand von c/λ besitzen, (worin λ die Wellenlänge des Grundresonanz-Schwingungstyp in dem Resonator und c die Lichtgeschwindigkeit be-

    zeichnen), und daß die das Verstärkungsmedium beinhaltende Verstärkungseinrichtung über eine Bandbreite, die grosser ist als c/λ., Verstärkung erzeugt.
11. 11. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kompensationseinrichtung zur Kompensation einer durch das Verstärkungsmediuir. verursachten Frequenzdispersion der sich ausbreitenden Wellen bzw. der sich ausbildenden Wellen- oder Schwingungstypen.
12. 12. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung derart ausgebildet ist, daß das Verstärkungsmedium in zwei äquivalente die Abhängigkeit der Verstärkung von der Frequenz kennzeichnende Verstärkungskurven aufgespalten wird, wobei der Frequenzabstand zwischen den beiden äquivalenten Verstärkungskurven so groß ist wie die Frequenzaufspaltung zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten derselben Polarisationsrichtung ist.
13. 13. Drehgeschv/indigkeitsmesser nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Koir.pensationseinrichtung so ausgebildet ist, daß sie die durch das Verstärkungsmedium verursachte Frequenzcispersion für die sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten für jedes der Komponentenpaare der Schwingungs- bzw. Wellentypen ausgleicht.
14. 14. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationseinrichtung zum Ausgleich der Frequenzdispersion in dem Verstärkungsmedium ein magnetisches Feld erzeugt, durch welches die die Gesamtverstärkung wiedergebende Frequenzkurve in zwei Komponenten aufgespalten wird, die um eine Frequenz gegeneinander verschoben sind, welche ebenso groß ist wie

    die Frequenzaufspaltung zwischen jeweils zwei benachbarten sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten der Schwingungs- bzw. Hellentypen.
15. 15. Drehgeschwindigkeitsraesser nach Anspruch- 14, dadurch _ gekennzeichnet, daß die Mittel zur Erzeugung des magnetischen Feldes das Magnetfeld in Abhängigkeit von dem Mittelwert der Frequenzaufspaltung zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten verändern«,
16. 16. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 9, d a durch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zum Ausgleich des für die beiden sich gegenläufig ausbreitenden Schwingungstypkomponenten jedes der genannten Kosiponentenpaare wirksamen Brechungsindex¹ vorgesehen ist, mittels derer eine longitudinale Magnetfeldkomponente in dem Verstärkungsmedium erzeugbar ist.
17. 17. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zur Erzeugung eines Magnetfeldes in dem Verstärkungsmedium dient, das sich in Abhängigkeit von der Frequenzdifferenz zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Schwingungstypkomponenten ändert.
18. 18. Drehgeschwindigkeitsmesser nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Steuerung der optischen Länge des ringförmigen Resonators vergesehen ist.
19. 19. Drehgeschwindigkeitsmesser nach Anspruch 9, d a durch gekennzeichnet, daß die Verstärkungseinrichtung eine Verstärkung bewirkt, die ausreichend groß ist, um Frequenzdifferenzen zwischen den sich gegenläufig ausbreitenden Schwincungs- bzw. Wellentypkomponenten für alle Kompcnentenpaare gleicher Polarisation zu synchronisieren .

    -B-
20. 20. Verfahren zum Betrieb eines Resonators für einen nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche ausgebildeten Drehgeschwindigkeitsmesser gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    - Es wird ein ringförmig geschlossener Ausbreitungsweg bereitgestellt, der einen Resonator für die ausschließliche Ausbreitung longitudinaler elektromagnetischer Wellentypen mit vorgegebenen Transversalindizes bildet,

    - zur Ausbildung der genannten Wellentypen wird der Resonator mit elektromagnetischer Energie beaufschlagt,

    - die Wellentypen werden in einem vorbestimmten Frequenzbreich verstärkt, der größer ist als der Frequenzabstand zwischen benachbarten Exemplaren der Wellentypen.
21. 21. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch folgenden weiteren Verfahrensschritt:

    - Es wird ein Ausgangssignal erzeugt, das eine Funktion der Frequenzdifferenz zwischen wenigstens zwei der sich gegenläufig ausbreitenden Wellen ist.
22. 22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, d a d u r c h gekennzeichnet, daß der Resonator ein optischer Resonator ist und daß die Ausbreitung elektromagnetischer Energie auf longitudinale resonante Wellentypen mit vorbestimmten Transversalindizes beschränkt wird, die sich gegenläufig ausbreitende Komponenten besitzen .
23. 23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet,, daß die durch die Verstärkung verursachte Frequenzdispersion der Wellentypen kompensiert wird.
24. 24. Verfahren nach Anspruch 20, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

    - Die vierfache Frequenzentartung jedes der genannten Schwingungstypen wird beseitigt, derart daß sich vier Wellentypkomponenten unterschiedlicher Frequenz erge-

    β 2 O ο

    ben, die in zwei orthogonal polarisierte Komponentenpaare geordnet sind, deren jedes sich gegenläufig ausbreitende Komponenten «»faßt,

    - die Wellentypen werden innerhalb eines vorgegebenen Frequenzbereiches verstärkt, der so groß ist, daß er zusätzlich zu den Komponenten eines ersten Hellentyps wenigstens ein Komponentenpaar eines benachbarten HeI-lentyps umfaßt, wenn diese Komponenten in den vorbestimmten Frequenzbereich driften, wobei die Gesaratverstärkung hinreichend groß ist um eine Frequenzeinrastung des Differenzsignals eines Komponentenpaares eines ersten Wellentyps mit dem Differenzsignal eines Komponentenpaares gleicher Polarisation eines benachbarten Wellentyps zu ermöglichen.
25. 25. Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 23, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte :

    - Jeder Wellentyp wird/vier Basiskomponenten mit unterschiedlichen Frequenzen aufgespalten, die in zwei Paare von sich gegenläufig ausbreitenden Komponenten angeordnet sind, wobei die beiden Paare orthogonal zueinander polarisiert sind,

    - es findet eine Verstärkung innerhalb eines Frequenzbereiches statt, der so groß ist, daß er die beiden Komponentenpaare eines ersten Wellentyps und ein Koir.ponentenpaar eines benachbarten Wellentyps umfaßt, wobei die Gesamtverstärkung so groß ist, daß die Frequenzdifferenz zwischen Komponenten eines Komponentenpaares eines ersten Wellentyps mit der Frequenzdifferenz zwischen Komponenten eines gleichpolarisierten Komponentenpaares eines zweiten benachbaren k'ellentyps verrasten, wenn die letztgenannten Komponenten in Resonanz gelangen.
26. 26. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzabhängig' des Brechungsindex'in-

    331S292

    - ίο -

    nerhalb des Resonators kompensiert wird.
27. 27. Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Weglänge des Resonators geregelt wird.