DE3500633C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Laser-Gyroskop nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein derartiges Gyroskop ist aus der US 43 26 803 entnehmbar.

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 die 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 43 26 803 angegeben. Zusätzlich zu dem Laser und dem Ringresonator benötigt dieses Gyroskop für den Betrieb zwei Frequenzumtaster, was die Kosten und die Komplexität erhöht.

In Optics Letters, Vol. 4, No. 3, March 1979, Seiten 93-95, ist ein Laser-Gyroskop, das einen Laserlicht-Laufweg, bestehend aus einem Glasfaser-Ring aufweist, bekannt geworden. Mittels eines optischen Strahlteilers wird ein Laser-Lichtstrahl in zwei Teilstrahlen aufgeteilt, die in voneinander entgegengesetzten Richtungen den Glasfaser-Ring durchlaufen. Durch eine Drehbewegung des Rings wird eine Phasenverschiebung der zwei Laser-Lichtstrahlen hervorgerufen, die ausgewertet wird, wenn beide Laser-Lichtstrahlen auf einen Detektor auftreffen. Die Phasenverschiebung kann durch eine Frequenzkorrektur eines der Lichtstrahlen kompensiert werden. Die dafür erforderliche Kompensationsgröße ist ein Maß für die dem Gyroskop erteilte Winkelbeschleunigung.

Laser-Gyroskope, die ähnlich wie das vorstehend beschriebene aufgebaut sind, sind in Journal Phys. E. Sci. Instrum. Vol. 16, 1983, Seiten 5-15, beschrieben. Dieses Dokument behandelt verschiedene Verfahren zur Auswertung der durch die Winkelbeschleunigung des Gyroskops hervorgerufenen Phasenverschiebung der Laser-Lichtstrahlen. Insbesondere wird dabei ein Verfahren erläutert, das auf einer zusätzlichen Phasenmodulation eines der beiden Laser-Lichtstrahlen beruht, wobei die Frequenz der beiden Laser-Lichtstrahlen in Abhängigkeit von der Laufzeit des Laserlichts im Glasfaserring bestimmt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Laser-Gyroskop mit einem vereinfachten, kostengünstigen und betriebssicheren Aufbau anzugeben.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale.

Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Anhand der Zeichnung wird die Erfindung beispielsweise näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Grafik, in der die Intensität des Laser-Lichts, das einen Ringresonator durchläuft, in Abhängigkeit von der Frequenz aufgetragen ist;

Fig. 2 eine grafische Darstellung des angewendeten Auswerteverfahrens;

Fig. 2A ein schematisches Schaltbild zur Gewinnung einer Intensitätsdifferenz;

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen 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;

Fig. 6 ein Konstruktions-Beispiel eines Laser-Gyroskops;

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

Fig. 8 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laser-Gyroskops; und

Fig. 9 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Laser-Gyroskops mit offenem Kreis und mit einem elektro-optischen 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, von der Resonanzfrequenz f₀ des Ringresonators 10 und von der Linienbreite Gamma des Resonators ab. Wie Fig. 1 zeigt, tritt die maximale Intensität I₀ auf, wenn die Frequenz des sich im Ringresonator 10 fortpflanzenden Lichts f₀ ist. Da sich die Intensität schnell mit zunehmender Abweichung von der Schwingungsfrequenz f₀ ändert, fällt die Intensität relativ steil ab. Insbesondere nahe der Resonanzfrequenz ist die Beziehung zwischen der Intensität im Ringresonator 10 und einer Eingangsintensität entsprechend

Gamma ist hierbei die Linienbreite, d. h. die Breite der Kurve in Fig. 1 bei einer Intensität I=I₀/2. Die Ableitung von I mit der Frequenz ist gegeben durch

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

Am 3/4-Leistungspunkt, an dem die Steilheit ihren Höchstwert hat, resultieren somit geringe Frequenzänderungen in großen Änderungen der Lichtintensität im Ringresonator 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 Ringresonator 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. Der Laser 14 wird bei der Erfindung aufeinanderfolgend abwechselnd bei einer Frequenz unterhalb der Frequenz f₀ während des Zeitintervalls T₁ und bei einer Frequenz oberhalb f₀ während des Zeitintervalls T₂ betrieben. Die abwechselnd aufeinanderfolgenden Stufen der Kurve 16 entsprechen einem Gleichspannungspegel, dessen Änderungen in Fig. 2 wiedergegeben sind. Während der Zeitintervalle T₁, in denen der Laser mit einer Frequenz unterhalb f₀ betrieben wird, ergibt sich die resultierende Intensität im Ringresonator 10 durch den Schnittpunkt einer Geraden 18 mit der Kurve 12, der an einem Punkt 20 liegt. Ebenso wird während der Zeitintervalle T₂ die Intensität im Ringresonator 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 Ringresonator 10 einen Wert entsprechend dem Punkt 20, und während des Zeitintervalls T₂ hat sie einen Wert entsprechend dem Punkt 24. Wenn die Änderungen der Gleichspannung gemäß Kurve 16 immer kleiner werden bewegt sich der Punkt 20 in Fig. 2 aufwärts bis zu einem Punkt 26, und der Punkt 24 bewegt sich abwärts zu einem Punkt 28. Aufgrund der Symmetrie der Kurve 12 zeigen die Punkte 26 und 28 die gleiche Intensität an.

Die nachfolgende Erläuterung eines erfindungsgemäßen Laser-Gyroskops 30 (Fig. 3) zeigt, wie die vorstehende theoretische Entwicklung in einem Laser-Gyroskop genutzt wird. Das Laser-Gyroskop 30 umfaßt den Ringresonator 10 und den Laser 14, der bevorzugt ein GaAlAs-Diodenlaser ist. Der Ausgang des Lasers 14 durchläuft einen Wellenleiter-Eingangskoppler 32. Dieser liegt einem zweiten Wellenleiter-Eingangskoppler 34 eng benachbart. Durch den Mechanismus der Dämpfungskopplung wird im Wellenleiter-Eingangskoppler 32 sich fortpflanzendes Licht in den Wellenleiter-Eingangskoppler gekoppelt. Die Wellenleiter-Eingangskoppler 32 und 34 sind so angeordnet, daß sich ungefähr die halbe Lichtenergie vom Laser 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-Eingangskoppler 32 und 34 als durch einen 3-dB-Koppler gekoppelt angesehen werden. Für den Augenblick sei das im Eingangskoppler 34 sich fortpflanzende Licht betrachtet. Durch den Wellenleiter-Eingangskoppler 34 sich fortpflanzendes Licht wird wiederum durch den Mechanismus der Dämpfungskopplung am Punkt 36 in den Ringresonator 10 gekoppelt. Dieses Licht pflanzt sich im Uhrzeigersinn um den Ringresonator 10 fort. Ein Ausgangskoppler 38 ist ebenfalls mit dem Ringresonator 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 f₀ des Ringresonators 10 geändert wird, wie Fig. 2 zeigt. So erfaßt während des Zeitintervalls T₁ der Detektor 40 die Lichtintensität im Ringresonator, wenn der Laser 14 unterhalb der Resonanzfrequenz f₀ betrieben wird. In gleicher Weise erfaßt der Detektor 40 während des Zeitintervalls T₂ die Intensität im Ringresonator, wenn die Laserfrequenz oberhalb f₀ liegt. Wie Fig. 2A zeigt, wird der Ausgang des Detektors 40 während des Intervalls T₁ durch einen Schalter 44 in einen Abtast- und Haltekreis 42 und während des Zeitintervalls T₂ in einen Abtast- und Haltekreis 46 gekoppelt, und die Differenz zwischen den beiden Signalen wird in einem Differenzglied 48 errechnet. Das Ausgangssignal des Differenzglieds 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 des Lasers 14 normalisiert. Der Ausgang des Servoverstärkers 52 ist somit ein normalisiertes Signal 58, das zur Änderung des Gleichspannungspegels in abwechselnd aufeinanderfolgenden Stufen gemäß der Kurve 16 von Fig. 2 genutzt wird.

Wenn der Laser-Gyroskop 30 eine Winkelgeschwindigkeit in der Ebene von Fig. 3 hat, ändert sich die scheinbare Weglänge im Ringresonator 10 aufgrund der Rotationsgeschwindigkeit. Die Änderung der Weglänge stört dann den Resonanzzustand in einer von f₀ wegführenden Richtung. Das vorstehend erläuterte Regelschema ändert dann den Gleichspannungspegel der Stufen der Kurve 16 und schiebt die Punkte 20 und 24 (Fig. 2) zur Koinzidenz in bezug auf die neue Resonanzfrequenz. An diesem Punkt sei das im Wellenleiter-Eingangskoppler 32 wandernde Licht betrachtet. Dieses Licht wird im Ringresonator 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 der Laser 14 auf einem thermoelektrischen Bauelement 70, etwa einem 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 den Laser 14 auf gleichbleibender Temperatur hält. Dieser Temperatur-Servoverstärker ist notwendig, um zu verhindern, daß der Laser 14 seine 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 Wellenleiter-Eingangskopplern 32 und 34 auf einen Niedrigstwert, da bei Resonanz im wesentlichen die gesamte Lichtenergie sich im Ringresonator 10 befindet. Diese Tatsache führt dazu, einen "Umkehrbetrieb" vorzuschlagen, der nachstehend unter Bezugnahme auf Fig. 4 erläutert wird. Ein Dünnschicht-Laser-Gyroskop 80 mit offenem Kreis umfaßt einen Ringresonator 82 und einem Laser 84. Zwei Eingangskoppler 86 und 88 sind vorgesehen und koppeln Lichtenergie vom Laser 84 in den Ringresonator 82. Wie bei der Ausführungsform nach Fig. 3 sind die Eingangskoppler 86 und 88 so angeordnet, daß ungefähr die halbe Energie des Lasers 84 sich im Eingangskoppler 86 und die andere Hälfte im Eingangskoppler 88 fortpflanzt. Die Koppler 86 und 88 sind in bezug auf den Ringresonator 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. Der Laser 84 ist auf einem thermoelektrischen Bauelement 94 angeordnet zur Regelung der Temperatur der Laserdiode. Ein Detektor 96 überwacht den Ausgang des Lasers 84 für Normalisierungszwecke entsprechend der Ausführungsform nach Fig. 3.

Im Betrieb arbeitet der Laser 84 im gleichen Stufenmodus wie die Ausführungsform nach den Fig. 2 und 3. Allerdings wird in diesem Fall der Ausgang des Detektors 90 dazu genutzt, den Gleichspannungspegel des Ausgangs des Lasers 84 zu ändern. Selbstverständlich ist das Signal am Detektor 90 der Umkehrwert des Signalverlaufs 12 von Fig. 2. D. h., wenn im Ringresonator 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 Winkelgeschwindigkeit 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 noch 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 zusätzlicher 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 102 emittiert Licht, das sich in Eingangskopplern 108 und 110 fortpflanzt. Die Eingangskoppler 108 und 110 sind so angeordnet, daß sie Licht in einen Ringresonator 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 Lasers-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 Servoverstärker 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 Ringresonator 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 zusätzlichen Normalisierungs-Detektor.

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

In diesen Gleichungen bedeuten: d=Durchmesser des Ringresonators, n=effektive Brechzahl des Resonators, Lambda=Wellenlänge, und Omega=Winkelgeschwindigkeit. Berechnungen zeigen, daß ein Ringresonator 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 Ringresonators beträgt ca. 80 MHz. Bei einem solchen Gyroskop wäre die Geschwindigkeits-Empfindlichkeit dann

Bei einer Winkelgeschwindigkeit von ±1000° pro Sekunde 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 eines Dünnschicht-Laser-Gyroskops. 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 Ringresonator 154, einen fakultativen Wellenleiter-Ausgangskoppler 156 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 µm tief und 5-10 µm breit bei einer Wellenlänge von 0,84 µm. 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 µm-Betrieb kann auch ein GaInAsP-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 µm, 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 200 umfaßt einen Ringresonator 202 und einen Laser 204. Koppler 206 und 208 sind so angeordnet, daß sie Energie in den aus dem Ringresonator 202 koppeln. Ein elektro-optischer Schalter 210 dient dem Zweck, Licht vom Laser 204 selektiv entweder in den Koppler 206 oder den Koppler 208 zu koppeln. So 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 "Umkehr"-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-Gyro­ skop 400 umfaßt einen 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 Lichtstrahls. Wenn sich der elektro-optische Schalter in seinem zweiten Zustand befindet, wird in den Ringresonator 402 ein sich im Gegenuhrzeigersinn fortpflanzender Strahl injiziert. Die "Umkehr"-Detektoren 406 und 408 werden eingesetzt, um die Winkelgeschwindigkeit des Gyroskops 400 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.

Claims (7)

1. Laser-Gyroskop bestehend aus:

• - einem Laser (14), dessen Frequenz eine Funktion des zugeführten Stromes ist;
• - einem Ringresonator (10);
• - Wellenleiter-Eingangskopplern (32, 34) zur Einkopplung von Laser-Lichtstrahlen in den Ringresonator (10) in zwei entgegengesetzten Richtungen;
• - einem ersten Detektor (40) zur Erfassung der Lichtintensität der sich in der einen Richtung fortpflanzenden Laser-Lichtstrahlen, und
• - einem zweiten Detektor (62) zur Erfassung der Lichtintensität der sich in der anderen Richtung fortpflanzenden Laser-Lichtstrahlen;

gekennzeichnet durch

• - eine Einrichtung, mit der der dem Laser (14) zugeführte Strom abwechselnd aufeinanderfolgend derart geändert wird, daß der Laser (14) abwechselnd bei einer ersten und einer zweiten Frequenz betrieben wird, wobei die beiden Frequenzen symmetrisch zu einer Mittenfrequenz liegen;
• - eine dem ersten Detektor (40) nachgeschaltete Einrichtung (42, 44, 46, 48), die einen ersten Differenzwert aus den vom ersten Detektor (40) bei den beiden Frequenzen erfaßten Lichtintensitäten bildet;
• - einen ersten Servoverstärker (52), dessen einem Eingang (50) der erste Differenzwert und dessen anderem Eingang (54) das Ausgangssignal eines Detektors (56), der die Intensität des Lasers (14) überwacht, zugeführt werden, wobei das Ausgangssignal (58) des Servoverstärkers (52) zur Änderung des dem Laser (14) zugeführten Stromes und damit zur Verschiebung der beiden Frequenzen derart vorgesehen ist, daß der erste Differenzwert gegen Null geregelt wird;
• - eine dem zweiten Detektor (62) nachgeschaltete Einrichtung, die einen zweiten Differenzwert aus den vom zweiten Detektor (62) bei den beiden Frequenzen erfaßten Lichtintensitäten bildet; und
• - einen zweiten Servoverstärker (66), an dessen einem Eingang (64) der zweite Differenzwert liegt und an dessen anderem Eingang (68) das Ausgangssignal des die Intensität des Lasers (14) überwachenden Detektors (56) liegt, wobei dieser Servoverstärker (66) zur Ausgabe eines Signals dient, das die Winkelgeschwindigkeit des Laser-Gyroskops anzeigt.

2. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die dem ersten (40) und dem zweiten (62) Detektor zur Bildung des ersten und des zweiten Differenzwertes nachgeschaltet sind, jeweils einen Abtast- und Haltekreis (42, 46) aufweisen.

3. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen, die dem ersten (40) und dem zweiten (62) Detektor zur Bildung des ersten und des zweiten Differenzwerts nachgeschaltet sind, jeweils einen Spannungs-Frequenz-Umsetzer aufweisen, der vom zugeordneten Detektor (40, 62) angesteuert ist und dessen Ausgang einem Zweirichtungszähler zur Bildung des entsprechenden Differenzwerts zugeleitet ist.

4. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (14) ein GaAlAs-Laser ist.

5. Laser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser (14) ein GaInAsP-Laser ist.

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