DE4130793A1

DE4130793A1 - Simultane modulation und einkopplung kohaerenter lichtstrahlen in ein ringinterferometer

Info

Publication number: DE4130793A1
Application number: DE19914130793
Authority: DE
Inventors: Alexander W Dr Ing Koch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-09-16
Filing date: 1991-09-16
Publication date: 1993-03-18

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Modulation optischer Wellenfelder. Von besonderem Interesse ist die Amplitudenmodulation kohärenten Lichts, welches von einem Laser erzeugt wird.

Die Erzeugung modulierten Lichts bildet die Voraussetzung für viele optische Anwendungen. Als Beispiele seien hier genannt:

- die optische Nachrichtenübertragung mittels Lichtwellenleitern,
- interferometrische Abstands- und Längenmeßsensoren,
- optische Drehmelder auf der Basis von Laserkreiseln.

In diesen und anderen Apparaturen wird ein modulierter Licht strahl benötigt, dessen Wellenlänge z. B. im sichtbaren Spektral bereich liegt. Die oben angegebenen Meßverfahren beruhen auf der Erfassung der Phasenverschiebung und es sollte die Modula tionsfrequenz mit herkömmlicher Elektronik gut aufzulösen sein. Die Phasenverschiebung, die ein Lichtstrahl z. B. in einem sich bewegenden Medium erfährt, wirkt sich ebenfalls auf die Modulationsfrequenz aus. Während die Phase im Lichtstrahl selbst nur mit großem Aufwand bestimmt werden kann, läßt sich die Phase der niederfrequenten Modulationsfrequenz mit sehr hoher Genauig keit von bis zu 1/6000 Streifen, d. h. 1/6000 Periodendauer messen.

Die Verwendung dieser Technik setzt immer die präzise Modulation des primären Strahls voraus. Vielfach wurden hierzu auch mecha nische Zerhacker (Chopper) eingesetzt, die den Strahlengang mit einem bestimmten Taktverhältnis ein- und ausschalten. Die Stabilität dieser Anordnung ist jedoch sehr gering. Zudem lassen sich nur Modulationsfrequenzen bis einige kHz realisieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte und zugleich mit kleinem Aufwand erreichbare Lichtmodulation zu erreichen, die mit einer Einkopplung in einen Laser-Faser- Kreisel kombiniert werden kann.

Verfahrensmäßig wird die gestellte Aufgabe gelöst durch die im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk male. Auf diese Weise wird erreicht, daß die Modulationsfre quenz sich über einen für technische Anwendungen weiten Bereich von einigen Hz bis zu einigen GHz erstrecken kann. Zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 12. Zur Lösung der gestellten Aufgabe kann eine Vorrichtung gemäß Anspruch 13 Anwendung finden. Aus gestaltungen dieser Vorrichtung ergeben sich aus den Ansprüchen 14 und 15.

Die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenüber dem Stand der Technik liegen in folgenden Eigenschaften:

a) Durch die Ausnutzung des gegenläufigen Frequenzshifts in der Braggzelle wird die Anordnung eines Laserkreisels wesentlich vereinfacht. Es wird lediglich ein AOM-Kristall benötigt, an dessen Seiten die Lichtleitfasern direkt ange koppelt werden können.
b) Als Folge von a) können keine Driftprobleme infolge unterschiedlich arbeitender Braggzellen auftreten.
c) Die Einkopplung in den Wellenleiter eines Laserkreisels und die Modulation der sich gegenläufig ausbreitenden Teil strahlen werden gleichzeitig kombiniert in einer elektro optischen Komponente durchgeführt.
d) Frequenz- und Phasendriften Einkopplungs-/Modulations einheit wirken sich auf beide Teilstrahlengänge gleich aus und haben somit auf die Messung keinen Einfluß.
e) thermische Fluktuationen im AOM-Medium haben keinen Einfluß auf die Meßgenauigkeit.

Nachstehend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine schematische Ansicht einer in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren benutzten Braggzelle, die durch einen Piezoschwingquarz erregt wird;

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Beispiels einer erfindungs gemäßen Modulations- und Einkopplungsvorrichtung;

Fig. 3 ein Blockschaltbild der Detektoreinheit.

Ein Piezoschwingquarz 1 erzeugt in einer Braggzelle 4 akustische Wellen 2, die sich mit der Schallgeschwindigkeit v_s des Kristalls 4 in diesem ausbreiten. Am anderen Ende des Bragg kristalls werden die Wellen 2 in einem Absorber 3 absorbiert. Wird der Schwingquarz 1 mit der Frequenz f_p angeregt, so beträgt die Wellenlänge im Medium 4 (z. B. LiNb):

ΛAOM = v_s/f_p. (1)

Für einen einfallenden Lichtstrahl 8 wirkt das akustische, wandernde Wellenfeld wie ein Bragg-Gitter. Wie bei einem mechanischen Gitter wird der Laserstrahl in verschiedene Ordnungen in Strahlen 5 gebeugt. Die Bragg-Bedingung wird durch den Winkel Φ_B erreicht:

Φ_B = λ₀/(2 ΛAOM) (2)

wobei der einfallende Lichtstrahl 8 die Wellenlängen λ₀ besitzt. Grundlegende Eigenschaften dieser Bragg-Technik seien bereits hier festgestellt:

a) Durch das mit der Schallgeschwindigkeit wandernde Bragg-Gitter erfährt der abgelenkte Lichtstrahl eine Dopplerverschiebung um den Betrag der Piezoschwingquarz- Frequenz f_p.
b) Über die Intensität der Anregung des Piezoquarzes 1 läßt sich die Größe der Dichteunterschiede im Medium 4 und damit die Intensität der gebeugten Strahlen 5 einstellen.

Im Ausführungsbeispiel der Erfindung wird von der Eigenschaft a) Gebrauch gemacht. Fig. 2 zeigt die optische Anordnung. Ein Laserstrahl, z. B. ein stabilisierter HeNe-Laser der Wellenlänge 632,8 nm wird über eine optische Diode (z. B. einen Faraday- Rotator) 10 unter dem Braggwinkel Φ_B auf die Braggzelle 4 (hier als akusto-optischer Modulator AOM bezeichnet) gerichtet. Ein Teilstrahl 11 passiert den AOM 4 und wird an einem Spiegel 12 reflektiert. Der reflektierte Strahl 13 trifft wiederum unter dem Braggwinkel Φ_B auf den AOM, so daß zwei Teilstrahlen gleicher Intensität den AOM in entgegengesetzten Richtungen 14 und 15 verlassen. Da die Wellenfronten im AOM stets in der gleichen Richtung 16 durch den Kristall wandern, sind die Frequenzen beider Teilstrahlen unterschiedlich dopplerverschoben. Im gezeigten Fall der Fig. 2 besitzt Teilstrahl 15 die Frequenz f₀-f_p, während Teilstrahl 14 die Frequenz f₀+f_p besitzt. Dabei ist f₀ die Grundfrequenz des Laserlichts und beträgt mit der Lichtgeschwindigkeit c

f₀ = c/λ₀. (3)

In optischen Richtkopplern 17 und 17a, die auch durch einen einfachen Strahlteiler realisiert werden können, werden jeweils gleiche Anteile 21 und 22 der beiden Teilstrahlen ausgekoppelt und einem Detektor 18 zugeführt. Die Teilstrahlen laufen dann durch die zuführenden Lichtwellenleiter 19 zum Kreisel 20. Kreisel 20 ist gewöhnlich ein bis zu einige km langer, aufge wickelter Lichtwellenleiter. Als Folge des Sagnac-Effekts tritt bei Drehung des Kreisels 20 eine der umschlossenen Fläche pro portionale Phasenverschiebung der Teilstrahlen auf. Diese Phasenverschiebung erfahren auch die dopplerverschobenen Teil strahlen 14 und 15. Anhand der Phasenverschiebung läßt sich die Drehbewegung mit extrem hoher Auflösung von Grad/Stunde erreichen. Selbst die Erdrotation kann auf diese Weise fest gestellt werden. Die beiden Teilstrahlen sowie das Anregungs signal für den Piezoschwingquarz werden in dem Detektor 18 nach Fig. 3 weiterverarbeitet.

Die Überlagerung der beiden Teilstrahlen mit den verschobenen Frequenzen f₀-f_p bzw. f₀+f_p in einem optisch nichtlinearen Element (z. B. Si-Photodiode) nach Fig. 3 über lagert. Das Ausgangssignal des Photodiodendetektors 18 stellt nun die niederfrequente Schwebung beider Eingangssignale dar und besitzt die Frequenz

f₁ = (f₀ + f_p) - (f₀ - f_p) = 2 f_p. (4)

Die Sagnac-Phasenverschiebung äußert sich in dieser Anordnung in der Phasendifferenz, die zwischen dem Modulationssignal und dem Überlagerungssignal besteht. Zur digitalen Ausgabe der Phasenverschiebung eignet sich die in Fig. 3 skizzierte Anord nung von Hotate und Samukawa (Applied Optics, Vol. 229, No. 9, 1990). Die Frequenz nach Gl. (4) wird im ersten Mischer 23 mit der Ausgangs-Frequenz

f_a = f₁ + f₂ (5)

eines variablen, spannungsgesteuerten Oszillators 24 gemischt, so daß die Differenzfrequenz f₂ entsteht.

Der Hauptoszillator 25, der über den 1 : 2-Frequenzteiler 26 den Piezoquarz 1 ansteuert, liefert auch das Referenzsignal für den Mischer 27. Wieder entsteht als Mischprodukt die Frequenz f₂, die dann auf eine mittels eines Charged Coupled Device (CCD) 28 realisierte Verzögerungselektronik mit einstell barer Verzögerungszeit T_d geleitet wird.

Die Phasenverzögerung der CCD-Elektronik beträgt

Δϕ = 2 πf₂T_d. (6)

Am Mischer 29 liegen nun die beiden Frequenzen f₂ mit unterschiedlicher Phasenlage an. Die Ausgangsfrequenz des VCO 24 wird in dieser Regelschleife nun so lange geändert, bis die Phasen beider Signale gleich sind. Nachdem die Frequenz f₁ fest vorgegeben ist, dient die Frequenz f₂ als Maß für die zu messende "Sagnacsche" Phasenverschiebung 30.

Die Einkopplung und Modulation elektromagnetischer Wellenfelder kann in beliebigen Medien erreicht werden. Die Anwendung "Laserkreisel" ist nur als Beispiel gedacht und nicht beschränkend für die Erfindung.

Claims

1. Verfahren zur Modulation optischer Wellenfelder, insbesondere unter Verwendung kohärenter Lichtquellen, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Teilstrahlen (14, 15) eines kohärenten Lichtstrahls mit symmetrischer Frequenzverschiebung (f₀+f₁ bzw. f₀-f₁) durch eine beidseitig unter dem Braggwinkel (Φ_B) angestrahlte Braggzelle (4) erzeugt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß vom Laserstrahl in der Braggzelle (4) ein erster Teilstrahl (15) abgelenkt wird und der die Braggzelle durchlaufende Laserstrahl (11) an einem Reflektor (12) in sich selbst gespiegelt (13) die Braggzelle trifft und in den zweiten Teilstrahl (14) abgelenkt wird.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Teilstrahlen (14, 15) in einem Laser-Faser-Kreisel (10) eingekoppelt werden, wodurch Einkopplung und Modulation kombiniert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Braggzelle (4) durch einen Piezoquarz (1) erregt wird, und das mit Schallgeschwindigkeit in Richtung (16) wandernde Bragg-Gitter die abgelenkten Teil strahlen (14, 15) einer Dopplerverschiebung um den Betrag der Piezoschwingungs-Frequenz f_p unterwirft.

5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Braggzelle (4) eine direkte Laserfaser-Ankopplung (31) besitzt, welche eine gegenläufige Aussendung der Teilstrahlen (14, 15) bewirkt.

6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Überlagerung der Teil strahlen (14, 15) eine Schwebung mit der Differenzfrequenz (2f_p) erzeugt wird, die für weitere Anwendungen in der Modulationstechnik benutzt wird.

7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Frequenzverschiebung durch die Braggzelle (4) eine Frequenzmodulation der Teil strahlengänge (14, 15) bewirkt wird.

8. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß außer der Frequenzverschiebung durch die Braggzelle (4) eine Amplitudenmodulation der Teil strahlengänge (14, 15) bewirkt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung der Teilstrahlen gänge (14, 15) mittels eines Strahlteilers oder zweier Opto koppler (17, 17a) erfolgt.

10. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertung der Phasenverschie bung zwischen den beiden Teilstrahlen (14, 15) auf digitalem Weg erfolgt.

11. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorläufe der beiden Strahlen gänge gleich sind und jeder Strahlengang als Referenzstrahl oder als Signalstrahl wirkt.

12. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß dem Laser (9) zur Stabilisierung eine optische Diode (10) nachgeschaltet ist.

13. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine durch einen Piezoquarz (1) erregte Braggzelle (4) vorgesehen ist, die von einem Laserstrahl (9) beaufschlagt ist und über Lichtleiter-Auskopplungen (31) an einen Laser-Faser-Kreisel (20) angeschlossen ist, und daß auf der Einstrahlseite der Braggzelle unter dem Braggwinkel Φ_B ein Laser (9) vorgesehen ist, und auf der anderen Seite unter dem gleichen Winkel ein Reflektor (12).

14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die nach einem Faserkreisel (20) führenden Lichtwellenleiter (19) optische Richtkoppler (17, 17a) aufweisen, die an einen Photodiodendetektor (18) angeschlossen sind.

15. Vorrichtung nach den Ansprüchen 13 und 14, dadurch gekennzeichnet, daß an den Detektor (18) ein Mischer (23) angeschaltet ist, wo die Frequenz f₁ mit dem Ausgang eines spannungsgesteuerten Oszillators (24) gemischt wird, wobei ein Hauptoszillator (25) über einen 1 : 2-Frequenz teiler (26) den Piezoquarz (1) ansteuert, und daß eine ladungsgekoppelte Anordnung (28) dieses Signal mit der Frequenz f₂ verzögert.