DE3500633A1

DE3500633A1 - Laser-gyroskop mit offenem kreis

Info

Publication number: DE3500633A1
Application number: DE19853500633
Authority: DE
Inventors: John R. Scituate Mass. Haavisto; Anthony W. Walpole Mass. Lawrence; Timothy Walpole Mass. Williams
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1984-04-25
Filing date: 1985-01-10
Publication date: 1985-10-31
Also published as: GB8500522D0; JPS6134417A; FR2563623A1; GB2157823A; JPH047929B2; DE3500633C2; GB2157823B; US4674881A; FR2563623B1

Description

Northrop Corporation Norwood, Massachusetts o2o62, V.St.A.

Laser-Gyroskop mit offenem Kreis

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laser-Gyroskop mit offenem Kreis.

Im allgemeinen arbeiten Laser-Gyroskope so, daß ein Laser derart angeordnet ist, daß er sich gegensinnig fortpflanzende Lichtstrahlen in einen Ringresonator injiziert. Wenn die Frequenz des injizierten Lichts so ist, daß eine ganze Zahl von Wellenlängen in den Ringresonator paßt, befindet sich der Ringresonator in Resonanz. Wenn der Ring eine Winkelgeschwindigkeit hat, ist die scheinbare Weglänge für in Rotationsrichtung sich fortpflanzende Strahlung länger als für in Gegenrichtung sich fortpflanzende Strahlung. Die Änderung der scheinbaren Weglänge stört den Resonanzzustand. Der Resonanzzustand kann dadurch wieder hergestellt werden, daß die Frequenz des in den Ring injizierten Lichts geändert wird. Die Frequenzänderung, die zur Wiederherstellung der Resonanz erforderlich ist, ist dann ein Maß für die Winkelgeschwindigkeit des Rings.

Bei Laser-Gyroskopen mit geschlossenem Kreis wird die Frequenz des in den Ring injizierten Lichts häufig unter Verwendung von opto-akustischen Frequenzumtastern geändert, um den Ring in

Resonanz zu halten. Diese Gyroskope haben insofern einen geschlossenen Kreis, als die injizierte Frequenz so geändert wird, daß der Resonator während der Rotation des Rings in Resonanz gehalten wird. Ein derartiges bekanntes Laser-Gyroskop mit geschlossenem Kreis ist in der US-PS 4 326 803 angegeben. Zusätzlich zu dem Laser und dem Ringresonator benötigt dieses Gyroskop für den Betrieb zwei Frequenzumtaster, was die Kosten und die Komplexität erhöht.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Laser-Gyroskops mit offenem Kreis, bei dem Frequenzumtaster nicht benötigt werden; dabei soll ein Dünnschicht-Laser-Gyroskop angegeben werden, das einfacher aufgebaut und erheblich billiger als die bekannten Laser-Gyroskope und unter Anwendung der Dünnschichttechnik implementierbar ist.

Das Laser-Gyroskop mit offenem Kreis nach der Erfindung, mit einem Laser und einem Ringresonator, ist gekennzeichnet durch Koppler, die sich gegensinnig fortpflanzende Lichtstrahlen von dem Laser in den Resonator koppeln, eine Einheit, die die Frequenz des Lasers über die Resonanzfrequenz des Resonators in einem Gleichspannungspegel überlagerten Stufen abtastet, einen Detektor, der die Lichtintensität eines der sich gegensinnig fortpflanzenden Lichtstrahlen während dieser Stufen erfaßt, eine Einheit, die eine erste Differenz der erfaßten Lichtintensität während der genannten Stufen feststellt, ein Glied, das auf die erste Differenz der erfaßten Lichtintensität anspricht und den Gleichspannungspegel der Stufen ändert unter Ausregelung der ersten Differenz gegen Null, einen Detektor, der die Lichtintensität des zweiten der gegensinnigen Lichtstrahlen während der Stufen erfaßt, und eine Einheit, die eine zweite Differenz der erfaßten Lichtintensität während der genannten Stufen im anderen der gegensinnigen Lichtstrahlen feststellt, wobei die zweite Differenz die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops anzeigt.

Eine bevorzugte Ausführungsform des Laser-Gyroskops ist gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Wellenleiter-Eingangskoppler, die gegensinnig sich fortpflanzende Lichtstrahlen des Lasers in den Resonator koppeln, eine Einheit, die die Frequenz des Lasers über die Resonanzfrequenz des Resonators in einem Gleichspannungspegel überlagerten Stufen abtastet, Detektoren, die die Lichtintensität in einem der Eingangskoppler während dieser Stufen erfassen, eine Einheit, die eine erste Differenz der erfaßten Lichtintensität in dem einen Eingangskoppler während der Stufen feststellt, eine auf die erste Differenz ansprechende Einheit, die den Gleichspannungspegel der Stufen ändert unter Ausregelung der ersten Differenz gegen Null, Detektoren, die die Lichtintensität in dem zweiten Eingangskoppler während der genannten Stufen erfassen, und eine Einheit, die eine zweite Differenz der Lichtintensität in dem zweiten Eingangskoppler während der genannten Stufen feststellt, wobei die zweite Differenz die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops bezeichnet.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Grafik, in der für einen Ringresonator die Intensität über der Frequenz aufgetragen ist;

Fig. 2 eine grafische Darstellung der hier angegebenen Laserabtastmethode;

Fig. 2A ein schematisches Schaltbild, das eine Möglichkeit zur Gewinnung einer Intensitätsdifferenz bei der Methode nach Fig. 2 zeigt;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Laser-Gyroskops;

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Laser-Gyroskops für Umkehrbetrieb;

Fig. 5 eine schematische Darstellung eines Laser-Gyroskops sowohl für Direkt- als auch für Umkehr-Betrieb;

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Fig. 6 ein Diagramm einer Implementierung der Laser-Gyroskope nach der Erfindung;

Fig. 7 ein Ausführungsbeispiel eines Laser-Gyroskops unter Anwendung eines Schalters;

Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel eines Laser-Gyroskops, bei dem eine Intensitäts-Normalisierung nicht erforderlich ist; und

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laser-Gyroskops mit mit offenem Kreis mit einem elektrooptischen Koppler/Schalter.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1, 2 und 3 wird zunächst theoretisch die Funktionsweise der hier angegebenen Laser-Gyroskope erläutert. Die Lichtintensität in einem Ringresonator gemäß Fig. 3 hängt von der Lichtfrequenz in bezug auf die Schwingungsfrequenz f_Q des Resonators 10 und von der Linienbreite Gamma des Resonators ab. Wie Fig. 1 zeigt, tritt die maximale Intensität I_Q auf, wenn die Frequenz des sich im Resonator fortpflanzenden Lichts f_Q ist. Da sich die Frequenz mit zunehmender Entfernung von der Schwingungsfrequenz f ändert, fällt die Intensität relativ steil ab. Insbesondere nahe der Resonanz ergibt sich die Beziehung zwischen der Intensität im Wellenleiter-Resonator 10 und einer Eingangsintensität entsprechend

I =

¹OUt

+ Vp ² (f-fo

Gamma ist die Linienbreite, d. h. die Breite der Kurve in Fig 1 bei einer Intensität I = I_Q/2. Die Ableitung von I mit der Frequenz ist gegeben durch

di 8 f-fo

df ρ2 (1+4/p² (f-f₀)²)²

Die maximale Steilheit liegt am 3/4-Leistungspunkt, wo

dl
"df

3/4 I₀ ⁴P

Am 3/4-Leistungspunkt, an dem die Steilheit ihren Höchstwert hat, resultieren somit geringe Frequenzänderungen in großen Änderungen der Lichtintensität im Resonator 10. Diese Empfindlichkeit der Intensität gegenüber kleinen Frequenzänderungen kann zur Realisierung eines Laser-Gyroskops mit offenem Kreis ausgenützt werden.

Unter Bezugnahme auf Fig. 2 wird nachstehend das Verfahren zur Anwendung von Intensitätsänderungen bei kleinen Frequenzänderungen beschrieben. Ebenso wie in Fig. 1 bezeichnet die Kurve 12 die Lichtintensität im Wellenleiter-Resonator 10 als Funktion der Frequenz. Wenn die Frequenz eines Lasers, etwa des Lasers 14 von Fig. 3, sich gemäß der Kurve 16 in Fig. 2 ändert, ändert sich die Lichtintensität im Ringresonator 10. Insbesondere wird der Laser 14 bei einer Frequenz unterhalb der Frequenz L während des Zeitintervalls T₁ und bei einer Frequenz oberhalb f^. während des Ze it Intervalls T- betrieben, und diese abwechselnde Betriebsfolge setzt sich über die Zeit fort. Die abwechselnd aufeinanderfolgenden Stufen der Kurve 16 haben einen Gleichspannungspegel, der durch die Versetzung in Fig. 2 bezeichnet ist. Während der Zeitintervalle T., in denen der Laser mit einer Frequenz unterhalb f. betrieben wird, ergibt sich die resultierende Intensität im Wellenleiter-Resonator 10 durch den Schnittpunkt einer Geraden 18 mit der Kurve 12, der an einem Punkt 20 liegt. Ebenso wird während der Zeitintervalle T- die Intensität im Wellenleiter-Resonator 10 durch den Schnittpunkt einer Geraden 22 mit der Kurve 12 bestimmt, der an einem Punkt 24 liegt. So hat während des ZeitIntervalls T₁ die Intensität im Resonator 10 einen Wert entsprechend dem Punkt 20, und während des Zeitintervalls T„ hat sie einen Wert entsprechend dem Punkt 24. Wenn der Gleichspannungspegel der

Kurve 16, d. h. die Versetzung gemäß Fig. 2, gegen Null ausgeregelt wird durch Ändern der Laserfrequenzen oberhalb und unterhalb f_ß, bewegt sich der Punkt 20 aufwärts zu einem Punkt 26, und der Punkt 24 bewegt sich abwärts zu einem Punkt 28. Aufgrund der Symmetrie der Kurve 12 liegen die Punkte 26 und auf derselben Intensität.

Die nachfolgende Erläuterung eines Laser-Gyroskops 30 (Fig. 3) zeigt, wie die vorstehende theoretische Entwicklung in einem Laser-Gyroskop genutzt wird. Das Laser-Gyroskop 30 umfaßt den Wellenleiter-Resonator 10 und den Laser 14, der bevorzugt ein GaAlAs-Diodenlaser ist. Der Ausgang des Diodenlasers 14 durchläuft einen Wellenleiter-Eingangskoppler 32. Dieser liegt einem zweiten Wellenleiter-Eingangskoppler 34 eng benachbart. Durch den Mechanismus der Dämpfungskopplung wird im Wellenleiter 3 sich fortpflanzendes Licht in den Wellenleiter 34 gekoppelt. Die Wellenleiter 32 und 34 sind so angeordnet, daß sich ungefähr die halbe Lichtenergie von der Laserdiode 14 durch den Eingangskoppler 32 und die andere Hälfte der Lichtenergie durch den Eingangskoppler 34 fortpflanzt. Aufgrund der hälftigen Teilung der Energie können die Wellenleiter-Koppler 32 und als durch einen 3-dB-Koppler gekoppelt angesehen werden. Für den Augenblick sei das im Eingangskoppler 34 sich fortpflanzende Licht betrachtet. Durch den Wellenleiter 34 sich fortpflanzendes Licht wird wiederum durch den Mechanismus der Dämpfungskopplung am Punkt 36 in den Wellenleiter-Resonator gekoppelt. Dieses Licht pflanzt sich im Uhrzeigersinn um den Resonator 10 fort. Ein Ausgangskoppler 38 ist ebenfalls mit dem Wellenleiter-Resonator 10 so gekoppelt, daß Licht, das sich im Resonator 10 im Uhrzeigersinn fortpflanzt, in den Ausgangskoppler 38 gekoppelt und von einem Detektor 40 erfaßt wird.

Es ist wichtig, erneut darauf hinzuweisen, daß der Laser 14 betrieben wird, indem seine Frequenz oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz f_fl des Wellenleiter-Resonators 10 geändert wird, wie Fig. 2 zeigt. So erfaßt während des Zeitintervalls T₁ der Detektor 40 die Lichtintensität im Wellenleiterresonator,

ΦΙ ·*■«··»

wenn der Laser 14 unterhalb der Resonanzfrequenz f„ betrieben wird. In gleicher Weise erfaßt der Detektor 40 während des Zeitintervalls T₂ die Intensität im Resonator, wenn die Laserfrequenz oberhalb f liegt. Wie Fig. 2A zeigt, wird der Ausgang des Detektors 40 während des Intervalls T₁ durch einen Schalter 44 in einen Abtast- und Haltekreis 4 2 und während des Zeitintervalls T₂ in einen Abtast- und Haltekreis 46 gekoppelt, und die Differenz zwischen den beiden Signalen wird in einem Differenzierglied 48 errechnet. Das Ausgangssignal des Differenzierglieds 48 wird als erster Eingang 50 (Fig. 3) einem Servoverstärker 52 zugeführt. Der andere Eingang 54 zum Servoverstärker 52 ist der Ausgang eines Detektors 56, der die Intensität der Laserdiode 14 überwacht. Auf diese Weise wird das Signal 50 in bezug auf den Ausgang der Laserdiode 14 normalisiert. Der Ausgang des Servoverstärkers 52 ist somit ein normalisiertes Signal 58, das zur Änderung des Gleichspannungspegels der abwechselnd aufeinanderfolgenden Stufen gemäß der Kurve 16 von Fig. 2 genutzt wird.

Wenn das .Laser-Gyroskop 30 eine Winkelgeschwindigkeit in der Ebene von Fig. 3 hat, ändert sich die scheinbare Weglänge im Wellenleiter-Resonator 10 aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit. Die Änderung der Weglänge stört dann den Resonanzzustand in einer von f_Q wegführenden Richtung. Das vorstehend erläuterte Regelschema ändert dann den Gleichspannungspegel der Stufen der Kurve 16 und treibt die Punkte 20 und 24 (Fig. 2) zur Koinzidenz in bezug auf die neue Resonanzfrequenz. An diesem Punkt sei das im Eingangskoppler 32 wandernde Licht betrachtet. Dieses Licht wird in den Wellenleiter-Resonator 10 an einem Punkt 60 eingekoppelt und durchläuft ihn im Gegenuhrzeigersinn. Das im Gegenuhrzeigersinn sich fortpflanzende Licht wird in den Ausgangskoppler 38 gekoppelt und von einem Detektor 62 erfaßt. Aufgrund der Rotation des Gyroskops 30 sind die Resonanzbedingungen für diesen sich im Gegenuhrzeigersinn fortpflanzenden Strahl verschieden und ermöglichen eine Bestimmung der Rotationsgeschwindigkeit. Der Ausgang des Detektors 62 wird in der gleichen Weise wie in Fig. 2A gezeigt abgetastet und als

Eingang 64 einem zweiten Servoverstärker 66 zugeführt. Ein weiterer Eingang 68 zum Servoverstärker 66 ist der Ausgang des Detektors 56. Der Ausgang des Servoverstärkers 66 ist somit ein normalisiertes Differenzsignal, das die Differenz der Intensität des sich im Gegenuhrzeigersinn fortpflanzenden Strahls während der Intervalle T₁ und T₂ bezeichnet. Diese Differenz bezeichnet die Winkelgeschwindigkeit des Laser-Gyroskops 30.

Gemäß Fig. 3 ist die Laserdiode 14 auf einem thermoelektrischen Bauelement 70, etwa einer Peltier-Kühlelement, befestigt. Das thermoelektrische Bauelement 70 umfaßt eine Einheit zur Messung der Temperatur des Lasers 14, und dieses Temperaturmeßsignal dient als Eingang zu einem Servoverstärker 72, der in einem Regelkreis die Laserdiode 14 auf gleichbleibender Temperatur hält. Dieser Temperatur-Servoverstärker ist notwendig, um zu verhindern, daß die Laserdiode 14 ihre Längsschwingungsart ändert ("Flattern").

Es ist zu beachten, daß der in Fig. 2A gezeigte Demodulator auch anders ausgelegt sein kann, z. B. digital unter Verwendung eines Spannungs-Frequenz-Umsetzers, der von dem Detektorsignal angesteuert wird. In einem solchen Fall wird der Spannungs-Frequenz-Ausgang in einem Zweirichtungszähler gezählt, und zwar aufwärts während T₁ und abwärts während T₂. Der resultierende Zählwert wird ausgegeben und ist das integrierte Fehlersignal. Das Laser-Gyroskop 30 mit drei Kopplern gemäß Fig. 3 bietet gegenüber bekannten Gyroskopen mit zwei Kopplern den Vorteil, daß das Problem einer Resonanzschleife oder eines Resonanzhohlraums, der in den Laser gekoppelt ist, beseitigt ist, da zwischen dem Laser und dem Eingangskoppler keine Frequenzumtaster vorhanden sind, d. h., mit der Anordnung wird eine Isolation bzw. Trennung erreicht.

Das Laser-Gyroskop 30 nach Fig. 3 kann insofern als "direkt" angesehen werden, als es die übertragenen Fabry-Perot-Signale an den Detektoren 40 und 62 nutzt, die (wie die Fig. 1 und 2 zeigen) bei Resonanz auf einen Spitzenwert ansteigen. Wenn die

an den Detektoren 40 und 62 erfaßten Signale bei Resonanz auf einen Spitzenwert ansteigen, fällt die Lichtintensität in den Eingangskopplern 32 und 34 auf einen Niedrigstwert, da bei Resonanz im wesentlichen die gesamte Lichtenergie sich im Wellenleiter-Resonator 10 befindet. Diese Tatsache führt dazu, einen "ümkehrbetrieb" vorzuschlagen, der nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wird. Ein Dünnschicht-Laser-Gyroskop 80 mit offenem Kreis umfaßt einen Ringwellenleiter-Resonator 82 und eine Laserdiode 84. Zwei Eingangskoppler 86 und 88 sind vorgesehen und koppeln Lichtenergie von der Laserdiode 84 in den Wellenleiter-Resonator 82. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Eingangskoppler 86 und 88 so angeordnet, daß ungefähr die halbe Energie der Laserdiode 84 sich im Eingangskoppler 86 und die andere Hälfte im Eingangskoppler 88 fortpflanzt. Die Koppler 86 und 88 sind in bezug auf den Wellenleiter-Resonator 82 so angeordnet, daß Licht in diesen eingekoppelt wird. Der Eingangskoppler 88 endet an einem Detektor 90, und der Eingangskoppler 86 endet an einem Detektor 92. Die Laserdiode 84 ist auf einem thermoelektrischen Bauelement 94 angeordnet zur Regelung der Temperatur der Laserdiode. Ein Detektor 96 überwacht den Ausgang der Laserdiode 84 für Normalisierungszwecke entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 3.

Im Betrieb arbeitet die Laserdiode 84 im gleichen Stufenmodus wie die Ausführungsformen nach den Fig. 2 und 3. Allerdings wird in diesem Fall der Ausgang des Detektors 90 dazu genutzt, den Gleichspannungspegel des Ausgangs der Laserdiode 8 4 zu ändern. Selbstverständlich ist das Signal am Detektor 90 der Umkehrwert des Signalverlaufs 12 von Fig. 2. D. h., wenn im Wellenleiter-Resonator 82 Resonanzbedingungen erfüllt sind, zeigt der Detektor 90 einen Niedrigstwert an. Wenn also das ,Laser-Gyroskop 80 eine Winkelgeschwindigkeit hat, justiert ein Servoverstärker 98 den Gleichspannungspegel der stufenweisen Frequenzänderungen so, daß der sich im Uhrzeigersinn fortpflanzende Strahl auf die Ringresonanz eingestimmt bleibt. Der Detektor 92 erfaßt dann ein Signal, das die Winkelgeschwindig-

keit des Gyroskops 80 bezeichnet* Es ist zu beachten, daß bei der Ausführungsform nach Fig. 4 kein Ausgangskoppler wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 erforderlich ist; dieses Gyroskop ist somit einfacher und kostengünstiger herzustellen.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem das "Direkt"- und das "Umkehr"-Gyroskop nach den Fig. 3 und 4 miteinander kombiniert sind. Da sowohl das "direkte" als auch das "umgekehrte" Signal unabhängig voneinander auftreten, können sie zur Erhöhung der Empfindlichkeit eines Laser-Gyroskops 100 miteinander kombiniert werden. Es ist ersichtlich, daß bei dieser Ausführungsform kein Detektor zur Erfassung des Laserausgangs zum Zweck der Normalisierung erforderlich ist. Ferner werden hier sämtliche aus Schwankungen der Intensitätsdifferenzen resultierenden Störsignale eliminiert. Das Laser-Gyroskop 100 umfaßt eine Laserdiode 102, die auf einem thermoelektrischen Element 104 angeordnet ist. Dieses wird von einem Temperatur-Servokreis 106 geregelt. Die Laserdiode 102emittiert Licht, das sich in Eingangskopplern 108 und 110 fortpflanzt. Die Eingangskoppler 108 und 110 sind so angeordnet, daß sie Licht in einen Wellenleiter-Resonator 112 koppeln. Die Eingangskoppler 108 und 110 sind jeweils von einem Detektor 114 und 116 abgeschlossen. Ein Ausgangskoppler 118 endet an Detektoren 120 und 122.

Nachstehend wird die Funktionsweise des Laser-Gyroskops 100 erläutert. Licht, das sich im Eingangskoppler 108 fortpflanzt, gelangt durch Dämpfungskopplung in den Wellenleiter-Resonator 112 unter Bildung eines sich im Uhrzeigersinn fortpflanzenden Lichtstrahls. Dieser wird in den Ausgangskoppler 118 gekoppelt und vom Detektor 120 erfaßt. Das Ausgangssignal des Detektors 120 wird mit dem Ausgangssignal des Detektors 114 verglichen, der auf die Lichtenergie im Eingangskoppler 108 anspricht. Ein Servoverstdärker 124 erzeugt ein Korrektursignal zur Regelung des Gleichspannungspegels der Frequenzstufen der Laserdiode 102, wie dies unter Bezugnahme auf Fig. 3 erläutert wurde. Somit wird der Gleichspannungspegel des Stufensignals des

Laserausgangs auf die Resonanz des Wellenleiter-Resonators 112 abgestimmt. Das Ausgangssignal des Detektors 122, der auf einen im Gegenuhrzeigersinn sich fortpflanzenden Lichtstrahl anspricht/ wird mit dem Ausgangssignal des Detektors 116 in einem Operationsverstärker 126 verglichen, dessen Ausgangssignal die Winkelgeschwindigkeit des Laser-Gyroskops 100 anzeigt. Das Gyroskop 100 hat eine höhere Empfindlichkeit und benötigt keinen Normalisierungs-Detektor.

Bei den Laser-Gyroskopen gemäß den Fig. 3, 4 und 5 wird die höchste Empfindlichkeit erzielt, wenn der Frequenzhub Spitze-Spitze gleich der Breite der Resonatorlinie an den 3/4-Leistungspunkten von Fig. 1 ist, und ergibt sich durch folgende Gleichungen:

dl 3 JT .df d dl

df "TpT "dft- "

In diesen Gleichungen bedeuten:d = Durchmesser des Wellenleiter-Resonators, η = effektive Brechzahl des Resonators, Lambda = Wellenlänge, und Omega = Winkelgeschwindigkeit. Berechnungen zeigen, daß ein Resonator mit einem Durchmesser von 25,4 mm eine durch Schrotrauschen begrenzte Auflösung von 0,1 /s bei 1 mW Leistung und einer Wellenlänge von 800 nm hat. Die Linienbreite eines solchen Resonators beträgt ca. 80 MHz. Bei einem solchen Gyroskop wäre die Geschwindigkeits-Empfindlichkeit dann

^dI = 1,1 χ 10~⁵ je °/s.

asu

Bei einer Winkelgeschwindigkeit von 4^1000° ist die Intensitätsänderung ca. 0,01, also eine geringe Abweichung in bezug auf die Ausgangskurve. Am 3/4-Leistungspunkt ist die

Breite der Ringresonanz 24 MHz, so daß der Stromhub, der als Eingang für eine Laserdiode erforderlich ist, im Bereich von 0,016 mA liegt, was realistisch ist.

Fig. 6 zeigt eine mögliche Konstruktion der vorstehend erörterten Dünnschicht-Laser-Gyroskope. Ein Gyroskop 150 verwendet eine Glasplatte 152 als Träger. Die Glasplatte 152 hat z. B. eine Dicke von 3,17 mm, kann jedoch erwünschtenfalls auch dünner sein. Das Gyroskop 150 umfaßt einen Wellenleiter-Resonator 154, einen fakultativen Wellenleiter-Ausgangskoppler sowie Wellenleiter-Eingangskoppler 158 und 160. Sämtliche Wellenleiter können fotoblockiertes Polymer, durch Ionenimplantation oder durch Ionenaustausch (Silber in Glas) hergestellt sein. Typischerweise sind diese Wellenleiter 1-2 um tief und 5-10 um breit bei einer Wellenlänge von 0,84 um. Die Konfiguration des Gyroskops 150 ist insofern vorteilhaft, als zur Befestigung von Komponenten nur ein einziger Rand 162 poliert zu werden braucht. Ein Laser 164 ist bevorzugt ein GaAlAs-Laser. Für 1,3 um-Betrieb kann auch ein GalnAsP-Laser eingesetzt werden. Direkt-Detektoren 166 und 168 sowie Umkehr-Detektoren 170 und 172 sind ebenfalls auf dem einzigen polierten Rand 162 montiert. Diese Detektoren sind bevorzugt Si-Detektoren zur Verwendung bei 0,84 um, und es ist zu beachten, daß bei Verwendung größerer Wellenlängen andere Detektoren einsetzbar sind. Sämtliche elektronischen Bauelemente sind somit auf einem einzigen polierten Rand 162 positioniert, was die Montage erleichtert und somit in einem relativ kostengünstigen Laser-Gyroskop resultiert.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dünnschicht-Laser-Gyroskops. Ein Gyroskop 20 0 umfaßt einen Ringresonator 202 und einen Laser 204. Koppler 206 und 208 sind so angeordnet, daß sie Energie in den und aus dem Ringresonator 202 koppeln. Ein elektro-optischer Schalter 210 dient dem Zweck, Licht vom Laser 204 selektiv entweder in den Koppler oder den Koppler 208 zu koppeln. Sb wird die volle Leistung des

Lasers 204 in einen der beiden Koppler gekoppelt und nicht, wie bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, jeweils die halbe Leistung in jeden Koppler.

Die Funktionsweise des Gyroskops 200 wird nachstehend erörtert. Es sei angenommen, daß sich der elektro-optische Schalter 210 in einem Zustand befindet, in dem Licht vom Laser 204 in den Koppler 208 gekoppelt wird. Dieses Licht wird dann in den Resonator 202 gekoppelt und erzeugt einen im Gegenuhrzeigersinn sich fortpflanzenden Strahl. Dieser Strahl wird dann in den Koppler 206 gekoppelt und von einem Direkt-Detektor 212 erfaßt. Das inverse Signal kann an einem Detektor 214 erfaßt werden. Wenn der Schalter 210 sich in seinem zweiten Zustand befindet, wird Licht aus dem Koppler 206 in gleicher Weise in den Resonator gekoppelt unter Erzeugung eines sich im Uhrzeigersinn fortpflanzenden Strahls; Dieser Strahl wird in den Koppler 208 gekoppelt und von einem Direkt-Detektor 216 erfaßt. Ein Inversions-Detektor 218 ist ebenfalls vorgesehen. Die Ausgangssignale dieser Detektoren werden zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeit wie bei den übrigen Ausführungsbeispielen genutzt.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Dünnschicht-Laser-Gyroskops mit offenem Kreis für "Inversions"-Betrieb. Ein Laser-Gyroskop 300 umfaßt einen Glasträger 302 mit einem Ringwellenleiter 304 und Eingangskopplern 306 und 308. Detektoren 310 und 312 sprechen auf die Intensität in den Wellenleitern 306 und 308 an. Eine Laserdiode 314 injiziert Energie in die Koppler 306 und 308. Das Gyroskop 300 arbeitet in der gleichen Weise wie das "ümkehr"-Gyroskop nach Fig. 4. Ein elektro-optischer Schalter oder ein 3-dB-Verteiler 316 verteilt die Energie des Lasers 314 auf die Koppler 306 und 308.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Dünnschicht-Laser-Gyroskops mit offenem Kreis. Das Dünnschicht-Laser-Gyroskop 400 umfaßt einen Wellenleiter-Ringresonator 402 und einen

Eingangskoppler 404. Dieser endet in Detektoren 406 und 408, und ein elektro-optischer Schalter 410 schaltet Licht von einer Laserdiode 412 in die eine oder die andere Seite des Kopplers 404 um. So richtet im einen Zustand der elektro-optische Schalter 410 Licht des Lasers 412 in den rechten Teil des Kopplers 404. Dieses Licht wird in den Ringresonator 402 gekoppelt unter Bildung eines sich im Uhrzeigersinn fortpflanzenden Lichstrahls. Wenn sich der elektro-optische Schalter in seinem zweiten Zustand befindet, wird in den Wellenleiter-Resonator 402 ein sich im Gegenuhrzeigersinn fortpflanzender Strahl injiziert. Die "ümkehr"-Detektoren 406 und 408 werden eingesetzt, um die Winkelgeschwindigkeit des Gyroskops 40 0 entsprechend der Erläuterung zu Fig. 4 zu bestimmen. Diese Betriebsweise ist in mehrfacher Hinsicht vorteilhaft. Einmal ist der Laser gegenüber einer Rückkopplung von umlaufendem Licht isoliert, und zum zweiten sind die Detektoren gegenüber rückgestreutem Licht isoliert.

Somit ist ersichtlich, daß die eingangs genannte Aufgabe gelöst wird durch Bereitstellung eines Dünnschicht-Laser-Gyroskops mit offenem Kreis, das auf Winkelrotationen anspricht. Die Gyroskope nutzen ein spezielles Schema zur Abtastung der Frequenz einer Laserdiode oberhalb und unterhalb der Resonanzfrequenz eines Ringresonators und setzen Demodulationsverfahren zur Bestimmung der Winkelgeschwindigkeiten ein. Bei den angegebenen Gyroskopen brauchen keine Frequenzumtaster verwendet zu werden, die bei bekannten Laser-Gyroskopen mit geschlossenem Kreis erforderlich sind. Somit ergibt sich also ein Laser-Gyroskop, das gegenüber den bekannten Laser-Gyroskopen einfacher aufgebaut und kostengünstiger ist. Bei den für "Umkehr"-Betrieb ausgelegten Laser-Gyroskopen entfällt der Ausgangskoppler.

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Claims

Patentansprüche

1. Laser-Gyroskop mit offenem Kreis, mit einem Laser und einem

gekennzeichnet durch Koppler (32, 34), die sich gegensinnig fortpflanzende Lichtstrahlen von dem Laser (14) in den Resonator (10) koppeln; eine Einheit, die die Frequenz des Lasers über die Resonanzfrequenz des Resonators in einem Gleichspannungspegel überlagerten Stufen abtastet;

- einen Detektor (40) , der die Lichtintensität eines der sich gegensinnig fortpflanzenden Lichtstrahlen während dieser Stufen erfaßt;

eine Einheit (42), die eine erste Differenz der erfaßten Lichtintensität während der genannten Stufen feststellt;

- ein Glied (52), das auf die erste Differenz der erfaßten Lichtintensität anspricht und den Gleichspannungspegel der Stufen ändert unter Ausregelung der ersten Differenz gegen Null;

einen Detektor (62) , der die Lichtintensität des zweiten der gegensinnigen Lichtstrahlen während der Stufen erfaßt; und eine Einheit, die eine zweite Differenz der erfaßten Lichtintensität während der genannten Stufen im anderen der gegensinnigen Lichtstrahlen feststellt, wobei die zweite Differenz die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops anzeigt.

65-83-104-Schö

2. Laser-Gyroskop nach Anspruch T, dadurch g e k ennzeichnet , daß die Einheiten zur Feststellung der ersten und der zweiten Differenz der erfaßten Lichtintensität während der Stufen zwei Abtast- und Haltekreise (42, 46) sind.

3. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einheiten zur Feststellung der ersten und der zweiten Differenz der erfaßten Lichtintensität während der Stufen einen von dem Detektorsignal angesteuerten Spannungs-Frequenz-Umsetzer aufweisen, dessen Spannungs-Frequenz-Ausgang in einem Zweirichtungszähler gezählt wird.

4. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei Eingangskoppler (32, 34; 108, 110) und einen Ausgangskoppler (38; 118).

5. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Trägerkörper mit einem einzigen polierten Rand (162) zur Befestigung des Lasers (164) und zur Befestigung von Detektoren (166, 168, 170, 172), die die Lichtintensität der sich gegensinnig fortpflanzenden Lichtstrahlen erfassen.

6. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Schritte eine Größe gleich der Breite einer Resonatorlinie an den 3/4-Leistungspunkten aufweisen.

7. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein GaAlAs-Laser ist.

8. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren Si-Detektoren sind.

9. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß der Laser ein GalnAsP-Laser ist.

10. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1,
gekennzeichnet durch ein thermoelektrisches Bauelement (z. B. 70) zur Regelung der Lasertemperatur.

11. Laser-Gyroskop mit offenem Kreis, mit einem Laser und einem Ringresonator,

gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Wellenleiter-Eingangskoppler (86, 88; 206, 208; 306, 308; 404), die gegensinnig sich fortpflanzende Lichtstrahlen des Lasers (84; 204; 314) in den Resonator (82; 202; 304; 402) koppeln; eine Einheit, die die Frequenz des Lasers über die Resonanzfrequenz des Resonators (82; 202; 304; 402) in einem Gleichspannungspegel überlagerten Stufen abtastet;

- Detektoren (90; 212, 214; 310; 406), die die Lichtintensität in einem der Eingangskoppler während dieser Stufen erfassen; eine Einheit, die eine erste Differenz der erfaßten Lichtintensität in dem einen Eingangskoppler während der Stufen feststellt;

eine auf die erste Differenz ansprechende Einheit, die den Gleichspannungspegel der Stufen ändert unter Ausregelung der ersten Differenz gegen Null;

- Detektoren (92; 216, 218; 312; 408), die die Lichtintensität in dem zweiten Eingangskoppler während der genannten Stufen erfassen; und

eine Einheit, die eine zweite Differenz der Lichtintensität in dem zweiten Eingangskoppler während der genannten Stufen feststellt, wobei die zweite Differenz die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops bezeichnet.

12. Laser-Gyroskop mit offenem Kreis, mit einem Laser und einem Ringresonator,

gekennzeichnet durch einen ersten und einen zweiten Wellenleiter-Eingangskoppler (108, 110), die sich gegensinnig fortpflanzende Laserlichtstrahlen in den Resonator (112) koppeln;

- einen Ausgangskoppler (118);

- eine Einheit, die die Frequenz des Lasers über die Resonanzfrequenz des Resonators in einem Gleichspannungspegel überlagerten Stufen abtastet;

Detektoren (114, 120), die die Lichtintensität in dem einen Eingangskoppler (108) während der Stufen und die Lichtintensität in dem Ausgangskoppler (118) erfassen; eine Einheit, die eine erste Differenz der erfaßten Lichtintensität in dem einen Eingangskoppler (108) und dem Ausgangskoppler (118) während der Stufen feststellt;

- eine Einheit (124), die auf die erste Differenz anspricht und den Gleichspannungspegel der Stufen ändert unter Ausregelung der ersten Differenz nach Null;

- Detektoren (116, 122), die die Lichtintensität im anderen Eingangskoppler (110) während der Stufen erfassen und die Lichtintensität im Ausgangskoppler (118) feststellen; und eine Einheit (126), die eine zweite Differenz der Lichtintensität im zweiten Eingangskoppler (110) und im Ausgangskoppler (118) während der Stufen feststellt, wobei die zweite Differenz die Rotationsgeschwindigkeit des Gyroskops bezeichnet.