DE3412015A1

DE3412015A1 - Ringlaser, insbesondere fuer ringlaserkreisel, mit einem traegerblock mit einem optischen resonanzraum mit drei umlenkspiegeln

Info

Publication number: DE3412015A1
Application number: DE19843412015
Authority: DE
Inventors: Werner 3308 Königslutter Jungbluth; Rüdiger Dr. 3176 Meinersen Rodloff
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1985-10-03
Also published as: GB8507750D0; US4666302A; GB2157067B; GB2157067A; DE3412015C2; FR2562340B1; FR2562340A1

Description

Gralls Patentanwalt Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig Germany

Deutsche Forschungs- und
Versuchsanstalt für Luft-
und Raumfahrt e.V.
Linder Höhe

5000 Köln 90

Am Bürgerpark 8

D 3300 Braunschweig, Germany

Telefon 0531-74798 Cable patmarks braunschweig

G/WS - D 767

Ringlaser, insbesondere für Ringlaserkreisel, mit einem Trägerblock mit einem optischen Resonanzraum mit drei Umlenkspiegel^

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringlaser nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Bei der Herstellung von Ringlasern wird von einer vorgegebenen Lage der Gasentladungskanäle und des Verstärkerelementes für optische Frequenzen ausgegangen. Beispielsweise ist es üblich, in einem Trägerblock zunächst ein dreieckförmiges Röhrensystem zu bohren. An die damit vorgegebene Lage der Gasentladungskanäle werden die Spiegelanschlagflächen am Trägerblock bearbeitet. Die Spiegelanschlagflächen müssen dabei um die horizontale Kippachse mit einer Genauigkeit von weniger als 1 see und um die vertikale Kippachse mit einer Genauigkeit von einigen Bogensekunden bear-

beitet werden. Der Trägerblock muß deshalb mit höchster Präzision gefertigt sein und dürfte ein wesentliches preisbestimmendes Element bei der Fertigung des Ringlasers sein.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufbau eines Ringlasers aufzuzeigen, der mit einer wesentlich weniger genauen Ausrichtung der Spiegelanschlagflächen auskommt. Diese Aufgabe wird' gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Verstärkerelement justierbar und fixierbar im/am Trägerblock so angeordnet ist, daß es mechanisch an den sich aus der Spiegelanordnung ergebenden Strahlverlauf anpaßbar ist.

Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines Ringlasers. .·■·

Fig. 2 zeigt schematisch einen Ringlaser mit integrierter Gasentladung.

Fig. 3 zeigt die Ausrichtung des Strahldreiecks in der Horizontalen.

Fig. 4 zeigt eine erste Ausführungsform eines Ringlasers gemäß der Erfindung in Draufsicht.

Fig. 5 zeigt einen Schnitt längs der Linie V-V in Fig. 4.

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Ringlasers.

Fig. 7 zeigt in Draufsicht eine Stellscheibe, wie sie bei der Anordnung nach Fig. 6 verwendet wird.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, weist der Ringlaser drei Eckspiegel 1, 2 und 3 auf, von denen der Eckspiegel 2 als Hohlspiegel ausgebildet ist. Der Ringlaser weist weiter ein Verstärkungselement 4 für optische Frequenzen auf. Als solches Verstärkungselement wird üblicherweise eine He-Ne-Gasentladungsröhre verwendet, über den Eckspiegel 1 werden Strahlanteile 5 und 6 ausgekoppelt, aus denen beim Laserkreisel eine Anzeige für die Drehgeschwindigkeit abgeleitet wird.

Fig. 2 zeigt schematisch einen Ringlaser mit integrierter Gasentladung, wie er vielfach für Laserkreisel verwendet wird. Hier ist in einem zentralen Trägerblock 10 ein dreieckförmiges Röhrensystem mit den Röhren 11, 12 und 13 gebohrt, welches mit einem He-Ne-Gasgemisch gefüllt ist. Zum Zünden der Gasentladung sind Anoden 7 und 8 sowie eine Kathode 9 vorgesehen. Wie eingangs erwähnt, müssen bei vorgegebener Lage der Gasentladungskanäle 11, 12 und 13 die Anschlagflachen 14, 15 und 16 am Trägerblock 10, auf denen die Spiegel 1, 2 und 3 angeordnet werden, um die horizontale Kippachse mit einer Genauigkeit von < 1 see und um die vertikale Kippachse mit einer Genauigkeit von einigen Bogensekunden ausgerichtet sein. Die Möglichkeiten, die Umlenkspiegel mit Justierkomponenten zu versehen, z.B. Justierschrauben oder ähnlichen, sind sehr erschwert, da diese Justierkomponenten selbst eine thermische und mechanische Instabilität darstellen, die den Ringlaser gegen Temperaturänderungen empfindlich macht. Eine Justage der Umlenkspiegel scheidet damit weitgehend aus.

-f-

Die Erfindung setzt, wie in Fig. 3 angedeutet, voraus, daß das Dreieck 17 (Fig. 3), das durch die Ebene der Eckspiegel gebildet ist, keinen Winkel größer als 90° enthält. Weiter soll der Krümmungsradius des Hohlspiegels 2 möglichst groß sein, in keinem Fall aber kleiner als A · /3 sein, wobei A der Seitenlänge des hier näherungsweise gleichseitigen Strahldreiecks entspricht. Abgesehen hiervon gelten für den Krümmungsradius selbstverständlich die bekannten Stabilitätskriterien für optische Resonatoren.

Wenn die vorstehenden Bedingungen erfüllt sind, gibt es unabhängig von der Spiegelpositionierung immer einen geschlossenen resonanzfähigen Umlauf zwischen den drei Spiegeln.

Das Strahldreieck kann sich vertikal, d.h. senkrecht zum Spiegeldreieck verschieben, wenn ein Spiegel bei der Montage um die horizontale Achse verdreht ist. Wenn alle drei Spiegel gleichsinnig verdreht sind, ergibt sich der Drehwinkel α bei einem maximal nutzbaren Spiegeldurchmesser D und einem Krümmungsradius des Hohlspiegels R näherungsweise:

α « -τ arc tan (-^)

Das bedeutet, daß mit D = 10 mm und R = 1000 mm bei einer Verdrehung jedes der drei Laserkreisel um 10 min um die Horizontalaehse noch ein resonanzfähiger Strahlweg zwischen den Spiegeln existiert.

Bei einem Krümmungsradius von R = 5000 mm beträgt der maximal zulässige Drehwinkel noch 2,3 min.

Λ-

Es läßt sich also zusammenfassend feststellen, daß zur Einhaltung der Bedingungen, unter denen noch ein resonanzfähiger Strahlungsweg zwischen den Spiegeln besteht, die Eckspiegel um die Hochachse "fast beliebig" verdreht werden können, während um die Horizontalachse Fehlausrichtungen je nach dem Krümmungsradius des Hohlspiegels um einige Bogenminuten zulässig sind, ohne die Resonanzfähigkeit des Spiegelsystems grundsätzlich zu beeinträchtigen.

Unter den- vorstehenden Voraussetzungen wird gemäß der Erfindung das Verstärkermedium in seiner Lage dem sich aus dem beschriebenen Aufbau ergebenden resonanzfähigen Lichtpfad zwischen den Spiegeln in seiner Lage angepaßt. Der Grundgedanke der Erfindung besteht also darin, beim Aufbau eines Ringlasers nicht den Gasentladungskanal bzw. die Position des Verstärkungsmediums vorzugeben mit dem Erfordernis, die Spiegel mit der bekannten hohen Genauigkeit positionieren zu müssen, sondern umgekehrt, das Lasermedium an den mit weit geringeren Toleranzen bearbeiteten optischen Resonator anzupassen. Hierdurch kann die Positi.oniergenauigkeit und damit die Fertigungstoleranz um zwei Größenordnungen gesenkt werden. Dies führt zu einer wesentlichen· Vereinfachung der Bearbeitung. Es ergibt sich dabei weiter noch der Vorteil, daß die Anforderungen an die Positionsgenauigkeit und Stabilität des Verstärkerelementes für optische Frequenzen wesentlich geringer ist als die, die für die Spiegel vorzugeben ist.

So ergibt ein Pyramidalfehler, hervorgerufen durch ein Verdrehen der Spiegel um die Horizontalachse von 0,04 see innerhalb des Ringlasers einen Strahlversatz von 3,4 um bei einem Krümmungsradius des Hohlspiegels von 6 m und einer Resonanzraumlänge von 45 cm. Wenn die Spiegel mit Stellschrauben versehen würden, müßten diese mit einer Winkelstabilität von 0,04 see in ihrer

Länge auf 0,005 μια bei einem wirksamen Hebelarm von 25 mm konstant gehalten werden; das entspricht etwa 50 Atomradien. Eine Stabilisierung des Gasentladungskanals auf 3,4 um ist im Vergleich dazu vollkommen unproblematisch. So verschiebt sich der Gasentladungskanal bei Verwendung einer konventionellen Gasentladungsröhre aus Glas um etwa 3 um, wenn die Röhre einseitig befestigt ist und die Temperatur sich um 100 ⁰C erhöht bei einem Röhrendurchmesser von 2 cm und einem Ausdehnungskoeffizienten von 3 χ 10~⁶/°C.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform für eine justier- und fixierbare Befestigung des Verstärkerelementes im/am Trägerblock dargestellt, mit der das Verstärkerelement mechanisch an den Strahlverlauf anpaßbar ist, der sich aus der durch die Fertigung vorgegebene Spiegelanordnung ergibt. In dem Trägerblock 20, der in üblicher Weise aus einem Keramikmaterial mit extrem niedrigem thermischen Ausdehnungskoeffizienten (z.B. 5 χ 10" /⁰C bei dem Material "Zerodur" der Firma Schott) besteht, ist in einer Kante des Blocks ein Ausschnitt 22 ausgebildet. Der übrige Aufbau des Blocks mit .den Eckspiegeln und den Kanälen ist bekannt und braucht hier nicht weiter erörtert zu werden. In dem Ausschnitt 22 ist eine Gasentladungsröhre 24 angeordnet, die in üblicher Weise ausgebildet ist und eine konventionelle Glasrohre aufweist mit dem oben erwähnten Ausdehnungskoeffizienten von 3 x 10 /⁰C.

An dem Trägerblock 20 sind an zwei im Abstand voneinander angeordneten Stellen X und Y jeweils zwei Stellkeilpaare 26 angeordnet. Diese Stellkeilpaare 26 sind mit entgegengesetzter Steigung ausgebildet und können jeweils unabhängig voneinander senkrecht zur Strahlebene verstellt und gemeinsam arretiert werden. Durch Verstellen der Keile ist die Gasentladungsröhre 24 sowohl horizontal als auch vertikal verschiebbar, wie durch die

vier Pfeile in Fig. 5 angedeutet. Durch unterschiedliche Verstellung der Keile an den beiden Anlagepunkten X und Y läßt sich darüber hinaus eine Winkelverstellung der Gasentladungsröhre 24 durchführen. Die Röhre 24 wird durch elastische Spannbänder 32, 33 gegen die Auflageprismen 2 in Anlage gehalten. Die Spannbänder sind mit den Schrauben 32 und 34 am Trägerblock 20 befestigt.

Wenn die beiden Keile des Auflageprismas aus einem thermisch stabilen Material gefertigt sind, beispielsweise aus dem gleichen Material wie der Trägerblock ergibt sich eine Positionsstabilität der Gasentladungsröhre und damit des Gasentladungskanals, die besser ist als die Stabilität des Strahlverlaufs, der durch die Position der Resonatorspiegel beeinflußt wird, und zwar auch unter Berücksichtigung der Verbiegung des Trägerblocks durch Temperatureinflüsse. Ein Block aus einem Material mit einem

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thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 χ 10" /⁰C von 10 cm Länge und 2,5 cm Dicke verbiegt sich bei einer Temperaturdifferenz von 2 ⁰C so, daß die die Spiegel tragenden Stirnflächen um 0,04 see verkippen. Dies führt zu einem Strahlversatz von 3,4 \xm.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei einem Ringlaser mit integrierter Gasentladung, wie er in Fig. 2 schematisch dargestellt ist. Die Bohrungen im Trägerblock 36, in denen der Strahl verläuft, sind hier mit einem He-Ne-Gas gefüllt. Es sind zwei Anoden. 38, 40 vorgesehen, die im Bereich der Enden einer der Bohrungen angeordnet sind. In der Mitte zwischen diesen ist die Kathode 27 angeordnet. In dem Kanal 42 ist hier eine Gasentladungskapillare 44 angeordnet, die mittig im Bereich der Kathode 39 mit einer Seitenbohrung 46 versehen ist. Die Kapillare 44 ist mit Hilfe von zwei Scheiben 48 gelagert, die gegen Anschläge 50 im Trägerblock anliegen. In Fig. 7 ist eine solche Scheibe dar-

gestellt. Durch Verdrehen der exzentrisch durchbohrten Scheiben 48 läßt sich die Achse der Kapillare 44 an die durch die sich aus den Fertigungstoleranzen ergebende Strahlgeometrie anpassen. Zweckmäßig sind die Exzenterbohrungen wenigstens einseitig angesenkt, so daß die Kapillare 44 auf einer Ringschneide 52 innerhalb der Scheibe gelagert ist. Zur Erzielung einer Feinverstellung kann die Bohrung innerhalb der Kapillare exzentrisch zu ihrem Außenumfang angeordnet sein. Damit ist dann eine beliebige Verstellung der Kapillarbohrung innerhalb einer Kreisfläche möglich, die durch einen Kreis mit den addierten Exzentrizitäten der Bohrung in den Scheiben 48 und der Achse der Kapillarbohrung in der Kapillare um den geometrischen Mittelpunkt der Scheibe 48 ergibt. Die gleiche Wirkung ist durch eine zweite Exzenterscheibe erzielbar, die in der exzentrischen Bohrung der ersten Exzenterscheibe gelagert ist.

Die Montage und Verstellung der Lage der Strahlachse des Verstärkerelementes ist auch in anderer Weise möglich.

Claims

Ansprüche

y. Ringlaser, insbesondere für Ringlaserkreisel, mit einem Trägerblock mit einem optischen Resonanzraum mit drei Umlenkspiegeln, von denen einer ein Hohlspiegel ist, bei dem das durch die Ebene der Umlenkspiegel gelegte Dreieck keine Winkel größer als 90° enthält und der Krümmungsradius des Hohlspiegels· größer als A V"3 (A = Seitenlänge des Strahldreiecks) ist und mit einem Verstärkerelement für optische Frequenzen, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstärkerelement justierbar und fixierbar im/am Trägerblock so angeordnet ist, daß es mechanisch an den sich aus der Spiegelanordnung ergebenden Strahlverlauf anpaßbar ist.
2. Ringlaser nach Anspruch 1 mit einer- vom Trägerblock gesonderten Gasentladungsröhre als Verstärkerelement, dadurch gekennzeichnet, daß am Trägerblock zwei in der Ebene des Strahldreiecks und senkrecht dazu verstellbare Anlageprismen für die Röhre und eine mechanische Halterung für die Röhre angeordnet sind.
3. Ringlaser nach Anspruch 1, bei dem das Verstärkerelement in dem zentralen Trägerblock integriert ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekanal zwischen zwei Spiegeln an zwei .im Abstand voneinander angeordneten Stellen radial verstellbar ausgebildet ist.
4. Ringlaser nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladungskanal in einer Kapillare ausgebildet ist, die mit Hilfe von zwei Scheiben mit exzentrischen Bohrungen in der Höhlung des Trägerblocks an den Strahlverlauf anpaßbar gelagert ist.