DE3412015C2

DE3412015C2 - Ringlaser

Info

Publication number: DE3412015C2
Application number: DE3412015A
Authority: DE
Inventors: Werner 3308 Königslutter Jungbluth; Rüdiger Dr. 3176 Meinersen Rodloff
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt Fuer Luft und Raumfahrt EV 5000 Koeln; Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1984-03-31
Filing date: 1984-03-31
Publication date: 1986-12-11
Also published as: GB2157067B; FR2562340A1; GB8507750D0; GB2157067A; US4666302A; FR2562340B1; DE3412015A1

Abstract

Ringlaser für Ringlaserkreisel mit einem Trägerblock mit einem optischen Resonanzraum mit drei Umlenkspiegeln und einem Verstärkerelement für optische Frequenzen. Das Verstärkerelement ist justierbar und fixierbar im/am Trägerblock so angeordnet, daß es mechanisch an den sich aus der fertigungstechnisch bedingten Spiegelanordnung ergebenden Strahlverlauf anpaßbar ist. Bei der Fertigung kommt es hier im wesentlichen nur noch darauf an, die Spiegel so anzuordnen, daß sich ein resonanzfähiger Strahlungspfad ergibt. An die Genauigkeit der Lage der Verstärkerröhre werden dabei wesentlich geringere Anforderungen gestellt als an die Lage der Spiegel, wenn die Lage des Verstärkerelementes vorgegeben ist.

Description

Beschreibung

so

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

Ein Ringlaser der gattungsgemäßen Art ist aus dem IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. QE-3, Nr. U, 1967, S. 449-453 bekannt.

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 Trägerbiock zunächst ein Rohrensystem zu bohren, dessen Achsen ein Dreieck bilden. Ausgehend von der damit vorgegebenen Lage der Gasentladungskanäle werden die Spiegelanschlagflächen am Trägerblock bearbeitet. Die Spiegelanschlagflächen müssen dabei um die horizontale Kippachse mit einer Genauigkeit von weniger als 1 Bogensekunde und um die vertikale Kippachse mit einer Genauigkeit von einigen Bogensekunden bearbeitet werdea Der Trägerblock muß deshalb mit höchster Präzision gefertigt sein und dürfte ein wesentliches preisbestimmendes Element bei der Fertigung des Ringlasers sein.

Ans der DE-OS 30 09 796 ist es bekannt, einen der drei Eckspiegel parallel zu sich selbst verschiebbar auszuführen, um dadurch die Resonatorlänge verändern zu können. Eine Justierung des Endadekanals ist hier nicht vorgesehen. Aus der DE-OS 31 43 798 ist es bekannt, zur Kompensation störender Einflüsse, wie z. B. Temperaturgradienten oder Beschleunigung, den Träger selbst zu verbiegen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Aufbau eines Ringlasers aufzuzeigen, der mit einer wesentlich weniger genauen Ausrichtung der Spiegelanschlagflächen auskommt und daher einfacher zu fertigen ist

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 herausgestellten Merkmale gelöst

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.

Fig. 7a und 7b zeigen in Seitenansicht und Draufsicht eine Stellscheibe, wie sie bei der Ausführungsform nach Fig. 6 verwendet wird.

Wie in Fig. 1 schematisch dargestellt, weist der Ringlaser drei Eckspiegel 1, 2 und 3 auf, von denen der Eckspiegei 2 als Hohlspiegel ausgebildet ist. Der Ringlaser weist weiter ein Verstärkungselement 4 für optische Frequenzen auf. Als solches Verstärkungselement wird üblicherweise eine He-Ne-Gasentladungsrohre 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 Anschlagflächen 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 besser als einer Bogensekunde 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 thermische und mechanische Instabilitäten darstellen, die den Ringlaser gegen Temperaturänderungen empfindlich machen. Eine Justage der Umlenkspiegel scheidet damit weitgehend aus.

Die Erfindung setzt, wie in Fig. 3 angedeutet, voraus,

daß das Dreieck 17 (Flg. 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 - j/3 sein, wobei A der Seitenlänge des hier näherungsweise gleichseitigen Sirahldreiecks 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 gekippt ist. Wenn alle drei Spiegel gleichsinnig gekippt sind, ergibt sich ein maximal zulässiger Kippwinkel α bei einem maximal nutzbaren Spiegeldurchmesser D und einem Krümmungsradius des Hohlspiegels R näherungsweise mit:

a — — arc tan

(f)

25

Das bedeutet, daß mit D = 10 mm und R = 1000 mm bei einer Kippung jedes der drei Laserspiegel um 10 Bogenminuten um die Horizontalachse noch ein resonanzfähiger Strahlweg zwischen den Spiegeln existiert.

Bei einem Krümmungsradius von R = 5000 mvn beträgt der maximal zulässige Kippwinkel noch 2,3 Bogenminuten.

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 vertikale Achse in relativ weiten Grenzen gekippt werden können, während um die Horizontalachsen 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 jeweiligen 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 geringerer Genauigkeit bearbeiteten optischen Resonator anzupassen. Hierdurch kann die Positioniergenauigkeit um zwei Größenordnungen gesenkt und damit die Fertigungstoleranz entsprechend erhöht 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 Kippen der Spiegel um die Horizontalachse von 0,04 Bogensekunden innerhalb des Ringlasers einen Strahlversatz von 3,4 μπι bei einem Krümmungsradius des Hohlspiegels von 6 m und einer Resonatorraumlänge von 45 cm. Wenn die Spiegel mit Stellschrauben versehen würden, müßten diese mit einer Winkelstabilität von 0,04 Bogensekunden in ihrer Länge auf 0,005 μπι bei einem wirksamen Hebelarm von 25 mm konstant gehalten werden; das entspricht etwa 50 Atomradien. Eine Stabilisierung des Gasentladungskanals auf 3,4 μπι ist im Vergleich dazu vollkommen unproblematisch. So verschiebt sich der Gasentladungskanal bei Verwendung einer konventionellen Gasentladungsröhre aus Glas um etwa 3 μπι, wenn die Röhre einseitig befestigt ist und die Temperatur sich um 100° C erhöht bei einem Röhrendurchmesser von 2 cm und einem Ausdehnungskoeffizienten des Glases 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-V⁰C 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 χ 10-⁶/°C.

An dem Trägerblock 20 sind an zwei im Abstand voneinander angeordneten Stellen Xund Kjeweils Auflageprismen bildende Stellkeilpaare 26, 30 angeordnet. Die Stellkeile 26,30 sind jeweils 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 mit ihrer Gasentladungskapillare 25 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 Kläßt sich darüber hinaus eine Winkelverstellung der Gasentladungsröhre 24 durchführen. Die Röhre 24 wird durch elastische Spannbänder 32,33 gegen die beiden Auflageprismen in Anlage gehalten. Die Spannbänder sind mit Schrauben 34 und 35 am Trägerblock 20 befestigt.

Wenn die beiden Stellkeile 26,30 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 thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 5 χ 10-⁸/°C von 10 cm Länge und 2,5 cm Dicke verbiegt sich bei einer Temperaturdifferenz von 2⁰C so, daß die die Spiegel tragenden Stirnflächen um 0,04 Bogensekunden verkippen. Dies führt zu einem Strahlversatz von 3,4 μπι.

Fig. 6 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung bei einem Ringlaser mit integrierter Gasentladung, wie er in Fi^. 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 aneeordnet. 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. 7a und 7b ist eine solche Scheibe 48 dargestellt. Durch Verdrehen der exzentrisch durchbohrten Scheiben 48 läßt sich die Achse der Kapillare 44 an die durch die sich aus den Fertigungstoleranzen ergebende Strahlgeornetrie 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.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

30

35

40

55

60

65

Claims

Patentansprüche

1. Ringlaser mit

a) einem Trägerblock (20,36),

b) einem Laserresonator, der durch drei auf den Ecken eines Dreiecks (17) angeordnete Resonatorspiegel (1,2,3) gebildet wird, so daß die im Ringlaser erzeugte Laserstrahlung auf dem Umfang dieses Dreiecks (17) umläuft, wobei bi) einer der Resonatorspiegel (1, 2, 3) als Hohlspiegel (2) ausgebildet ist,

b2) der Krümmungsradius des Hohlspiegels (2) größer als das j/3-fache der zwischen je zwei Resonatorspiegeln liegenden Seitenkanten (A) des Dreiecks (17) ist,

b3) der zwischen zwei Seitenkanten (A) des Dreiecks (17) liegende Winkel nicht größer als 90° ist,

c) einem längs einer Seitenkante (A) des Dreiecks (17) angeordneten separaten Entladekanal (22,24),

dadurch gekennzeichnet daß der Entladekanal (22,24) im oder am Trägerblock (20,36) so befestigt ist, daß er an den durch die Lage der Resonatorspiegel (1, 2, 3) vorgegebenen Strahlenverlauf anpaßbar ist.

2. Ringlaser nach Anspruch 1, bei dem der Entladekanal (22, 24) durch ein separates Laserrohr (24) gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß am Trägerblock (20) an zwei im Abstand voneinander angeordneten Stellen (X, Y) jeweils zwei Stellkeilpaare (26, 30) mit entgegengesetzter Steigung ausgebildet sind, so daß das Laserrohr (24) in der durch das Dreieck (17) gebildeten Ebene und in einer dazu senkrechten Richtung justiert werden kann.

3. Ringlaser nach Anspruch 1, bei dem der separate Entladekanal (44) in den zentralen Trägerblock (36) integrierbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekanal (44) an zwei im Abstand voneinander angeordneten Stellen radial verstellbar gehaltert ist.

4. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Entladekanal (44) mit Hilfe von zwei Scheiben (48) mit exzentrischen Bohrungen in einer Höhlung (42) des Trägerblocks (36) gelagert und durch Verdrehen dieser Scheiben (42) dem Strahlenverlauf anpaßbar ist.