DE68904554T2 - Faraday-rotatoranordnung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung bezieht sich auf einen Ringlasergyroskop und insbesondere auf einen Ringlasergyroskop mit einem in sich geschlossenen, äußerlich zusammengesetzten, quer einsetzbaren Öffnungs- und Faraday Rotatoraufbau zum Gebrauch in Verbindung mit einem Multioszillator- Ringlasergyroskop.
• Seit seiner Einführung in den früheren 1960ern als Laborexperiment ist der Ringlasergyroskop weiterentwickelt worden und als kommerzielles Produkt verwendet worden und zwar als ein logischer Ersatz für die mechanischen Gyroskope, zum Gebrauch in allen Arten von Trägheitsführungssystemen. Hierfür ist der grundlegende Zwei-Mode-Ringlasergyroskop entwickelt worden, welcher zwei unabhängige elektromagnetische Wellenmoden hat, welche in einem optische Ringhohlraum oszillieren. Wenn der Ring stationär ist, dann wird idealerweise keine Rotation angezeigt. Wenn der Ringhohlram um seine Mittelachse rotiert wird, dann Wechselwirken die gegenläufig rotierenden Wellen miteinander, so daß sich eine Überlagerungsfrequenz entwickelt. Eine lineare Beziehung zwischen der Überlagerungsfrequenz und der Rotationsrate des optischen Weges im Hinblick auf das Bezugsträgheitsachsenkreuz kann angegeben werden. Idealerweise ist die Rotationsrate proportional zu dem Überlagerungsmode. Auf diese Weise ergibt sich theoretisch ein Gyroskop, welches keine bewegenden Teile hat.
• In der Praxis mußte jeder der Zwei-Mode-Lasergyroskop oftmals mechanisch angeregt werden, um zu verhindern, daß die gegeneinander rotierenden wandelnden Wellen bei geringer Rotationrate hängenbleiben. Weitere Information über planares Gyroskop Zweimode-lock-in findet sich in Laser Applications von Monte Ross, Ed., S. 133-200 (1971).
• Um dieses lock-in-Problem zu lösen sind nichtplanare Ringhohlräume entwickelt worden, welche mehr als ein Paar von gegeneinander rotierenden Moden enthalten. Diese Multi-Oszillatorringlasergyroskopen sind entwickelt worden, um ein genaues vollständig optisches Gyroskop zu erreichen, welches keine bewegenden Teile hat. Bei dem Multioszillatorringlasergyroskop ist der Faraday-Rotator ein kleines optisches Element, welches in der Gegenwart eines magnetischen Feldes eine nicht reziproke Frequenzaufspaltung von rechts- und linkszirkular polarisierten Strahlen induziert. Diese Faraday-Aufspaltung verhindert einen Ringverlust und Streuung (wegen des Rotators) ist minimal, um nicht die Gyroskopausbildung zu begrenzen. Kürzlich ist die Faraday-Rotatorherstellungstechnik auf ein Niveau entwickelt worden, auf welchem die Herstellung von Faraday-Rotatoren mit niedrigem Verlust und niedriger Streuung möglich ist. Jedoch hat in der Vergangenheit eine beträchtlicher Oberflächenqualitätsverlust und/oder eine Oberflächenverschmutzung, welche bei einer Ausrichtung von Rotator zum Hohlraum auftrat, eine optimale Multi-Oszillatorringlasergyroskopgestaltung verhindert. Eine weitgehende Diskussion über den Multioszillatorringlasergyroskop befindet sich im Laser Handbook (Vol. IV) Ed. von M.L. Stitch (1985) auf den Seiten 229 bis 332.
• Eine nichtplanare Anordnung mit vier Spiegeln und einem Faraday-Rotator ist von Smith, US-Patent 4 548 501, erteilt am 22. Oktober 1985, beschrieben.
• Nachteilig bei dem Betrieb des Faraday-Rotators ist die Notwendigkeit, für ein Magnetfeld zu sorgen, welches sich durch das Faraday-Element erstreckt. Diese nachteilige Funktion ist durch den Gebrauch einer flintengeladenen Anordnung, wie bei 42 von Fig. 1 gezeigt, ausgebildet. Ein genauer Querschnitt der bekannten flintengeladenen Anordnung ist in Fig. 2 gezeigt. Bisherige Rotatorausrichtungsverfahren beinhalteten das Pressen mit der Hand von individuellen Glas- und Metallkomponenten auf einem schmalen Brett in der Hohlraumbohrung. Das Drücken wird ausgeführt, um die verschiedenen Komponenten mit Indium zu dichten. Je nach der Zeit, welche erforderlich ist, um die Komponenten in der Hohlraumbohrung auszurichten, muß der Ausrichtungstechniker das Preßwerkzeug solange einsetzen und nachteilige Folgen aufgrund des Handbetriebs des Preßwerkzeugs treten auf, so daß dieses Verfahren selten die ursprünglichen Bedingungen des Faraday-Rotatorelements aufrechterhält. Unter diesen Bedingungen ist eine Hohlraum- und Rotatorbeschmutzung unumgänglich. Falls weiterhin der Rotator, nachdem er mit Indium gedichtet ist, unsauber ausgerichtet ist, muß er unter Beschädigungen entfernt werden. Falls dies auftritt, muß die Vollständigkeit der Anordnungskomponenten (Trägerstück, Magnete, ect) aufgegeben werden und die gesamte Anordnung muß entfernt und der Rahmen wieder gereinigt werden. An diesem Punkt besteht nun ein hohes Risiko, daß der Hohlraum verunreinigt wird. Hierzu wurde mit Hinweis auf die Fig. 1 und 2 eine flintengeladene Anordnung 43 in den optischen Weg 48 durch die versenkte Spiegelträgerbohrung 38 angeordnet. Vor dem Sicherungsspiegel 22 an der versenkten Bohrung 38 und dem Gyroskopblockrahmen 12 wird die flintengeladene Rotatoranordnung 42 in den optischen Weg 48 durch eine teleskopartige Einsetzung, wie in Fig. 1 dargestellt, angeordnet. Die gesamte Anordnung 42 ist genau in Fig. 2 dargestellt. Die bekannte Fig. 2 zeigt, daß die Rotatoranordnung 42 entlang des optischen Weges innerhalb des Rahmens 12 positioniert ist und ein Trägerstück 60 enthält, welches ein Rotatorglasstück 50 trägt und eine Öffnung 64 zur transversalen Modeunterdrückung von einfallendem Licht bildet. Das Trägerstück 60 und das Glasstück 50 sind von einer Vielzahl von Permanentmagneten 56, 62 und 58 umgeben. Die ringförmigen Magneten sind aufeinander angeordnet und von Eisenmetallringen 52 und 54 umgeben. Vorzugsweise sind diese Eisenmetallringe aus einem nichtmagnetischen Eisenmaterial hergestellt. Der innere zylindrische Magnet 56 und der äußere zylindrische Magnet 58 sind jeweils an diesen Ringen 52 und 54 entsprechend mittels einer Indiumdichtung gesichert. Der mittlere zylindrische Magnet 62 ist wesentlich dicker als sowohl der innere oder der äußere zylindrische Magnet. Jeder der Magnete ist so angeordnet, daß sie insgesamt einen Dipol bilden. Auf diese Weise erstreckt sich ein relativ gleichmäßiges magnetisches Feld durch das Faradayglasstück 50, um den Faraday-Aufsplittungseffekt zu bewirken. Die flintengeladene Anordnung, welche in Fig. 1 und genauer in der bekannten Fig. 2 dargestellt ist, hat einen beträchtlichen Oberflächenqualitätsverlust und eine Oberflächenverschmutzung, welche während des Ausrichtungsverfahrens des Rotators zu der Hohlraumbohrung aufgetreten ist, und hat so eine optimale Multi-Oszillatorringlasergyroskopgestaltung verhindert. Wie mit Hinweis auf die Fig. 1 leicht ersichtlich ist, erfordert die Flintenladung der Rotatoranordnung 42 in dem optischen Weg 48C, daß die Bohrung, welche den optischen Weg 48C definiert, sorgfältig bearbeitet wird, um die Einsetzung der flintengeladenen Rotatoranordnung 42 zu ermöglichen. Weiterhin muß die Ausrichtung dieser Anordnung aus einer Entfernung durchgeführt werden. Die flintengeladene Anordnung ist nicht leicht innerhalb der Bohrung, welche den optischen Wegteil 48C definiert, zu manövrieren, wenn sich die Anordnung innerhalb der Bohrung befindet. Deshalb bewirkt die Verwendung einer flintengeladenen Rotatoranordnung eine weniger als optimale Faraday-Rotatorgestaltung während des Betriebs.
• Versuche, die Verschmutzung und die Ausrichtungsprobleme sowie den inhärenten Druck, welcher auf den Glasstück des Faraday-Rotators wirkt, zu umgehen, sind mit geringem Erfolg ausgeführt worden. Zum Beispiel ist ein Faraday-Grundelement zusammen mit einem Elektromagnet auf Seite 1463 in J.J.Roland, et.al., Periodic Faraday Bias and Lock-In Phenomena in Laser Gyro, APPLIED OPTICS, Vol. 12, Nr. 7, 1460-1467 (Juli 1973) gezeigt. Diese Anordnung wurde in Verbindung mit einem offenen optischen Weg verwendet, welcher durch ein Brewster-Fenster für nicht planare Multioszillatorringlasergyroskope vervollständigt ist. Ebenso wurde ein seitengeladener Grundkörper mit einer Faraday-Platte, Grundspule und einem Viertelplättchen zur Verwendung in einem nun nicht geheimen technischen Report des United States Air Force Luft- und Raumfahrtlabors AFAL-TR-71-339 (November, 1971) offenbart. Da eine seitengeladene Ausgestaltung vorliegt, welche einfacher als die flintengeladene Anordnung gemäß den Fig. 1 und 2 ist, ist die Vollständigkeit des optischen Weges nicht ganz aufrechterhalten.
• Weiterhin sind seitengeladene Faraday-Rotatoranordnungen zum Laden in einem monolitischen Multioszillatorringlasergyroskop vorgeschlagen worden. Die deutsche Patentanmeldung P 2828861.1 offenbart ein Schema für solch eine seitengeladene Anordnung, aber gibt keinen Hinweis darauf, wie eine derartige Anordnung konstruiert ist und wie sie an den Gyroskopblockrahmen gedichtet ist. In diesem Dokument offenbart die Anmeldung die Verwendung des Elements 52 zur Durchführung eines Multimodebetriebs.
• Ein erst kürzlicher Versuch, eine alternative Struktur zu der flintengeladenen Anordnung 42 von Fig. 1 vorzusehen, wurde in dem US-Patent 4 284 329, erteilt für Smith am 18. August 1981, diskutiert und offenbart. Die Fig. 6, 6A und 6B des '329 Smith-Patents offenbaren einen Faraday-Rotator 156, welcher aus einem Faraday-Rotatorträger 154 mit einem angeflanschten zentralen Teil besteht, um die seitliche Bewegung des Teils innerhalb der Öffnung 120 einzuschränken, welche in dem Lasergyroblock 102 vorgesehen ist. Das andere Ende des Faraday-Rotatorträgers 154 ist abgeschnitten, um eine Plattform zum Montieren aktiver Komponenten, wie den Permanentmagnet 166, die Faraday-Rotatorplatte 165 und die Polstücke 170 zu bilden, welche eine Trägerfunktion ähnlich dem Trägerstück, wie es in dieser Anmeldung in Fig. 2 gezeigt ist, hat. Eine Schraubenfeder 168 ist gegen die Faraday-Platte 165 innerhalb des Innendurchmessers der ringförmigen Permanentmagnetringe 166 (oder einer Vielzahl von Ringen 172 und 176, welche in gegenüberliegenden Dipolrichtungen entlang der Achse des optischen Weges positioniert sind) gedrückt, welche den Faraday-Rotator 165 und die Schraubenfeder 168 umgeben. Der Zweck der Schraubenfeder ist es, die Rotatorplatte 165 gegen den Faraday-Rotatorträger 154 zu drücken. Smith lehrt, daß der Faraday-Rotoratorträger 154 vorzugsweise aus dem gleichen Material wie der Lasergyroblock 102 gebildet ist. Smith lehrt auch, daß der Faraday-Rotator 156 eine zweite Funktion ausführt. Wegen der engen Anpassung, welche in der Öffnung 120 in dem Gyroblock 102 vorgesehen ist, blockiert der Faraday-Rotator 156 den longitudinalen Fluß von Gas durch den Durchgang 112. Dies verhindert, wie Smith erklärt, eine reine Zirkulation des Gases durch den geschlossenen Weg, was, wie er glaubt, eine wesentliche Reduzierung der Möglichkeit der Zirkulation von gestreuten Teilen, welche von dem Gas getragen werden, bewirkt. Obwohl Smith ein Verfahren zur Anordnung des Faraday-Rotators in dem Gyroblock 102 Körper offenbart, so lehrt er nicht, wie der Faraday-Rotatorträger 154 an dem Gyroblock 102 gesichert wird und Smith spricht auch nicht die Probleme des Drucks und der Deformation der Faraday-Rotatorplatte 165 an, welche durch die Schraubenfeder 168 auf der Oberfläche der Faraday-Rotatorplatte 165 ausgeübt werden. Außerdem ist es unwahrscheinlich, daß der Faraday-Rotatorträger, wie er von Smith gelehrt wurde, die Verschmutzung wesentlich reduziert, welche in den optischen Weg in dem Gyroblock 102 eingeführt wird.
• Die Aufgabe der Erfinduntg besteht somit darin, eine Faraday-Rotatoranordnung zu schaffen, welche leichter zu bauen ist und leicher in den Gyroblockrahmen eines Ringlasergyroskops eingesetzt werden kann als die bekannte flintengeladene Anordnung 42, ohne dabei den Nachteil des Drucks und der Verschmutzung aufzuweisen, welcher in den bekannten seitengeladenen Anordnungen auftritt.
• Zur Lösung dieser Aufgabe wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß der Multimoderinglasergyroskop gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 entsprechend dem kennzeichnenden Teil dieses Anspruchs ausgebildet ist. Vorzugsweise sorgt der optische Kontakt für eine Coulomanziehung zwischen den optisch flachen Kontaktflächen.
• Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß eine einsetzbare optische Anordnung, wie beispielsweise eine seitengeladene Öffnung oder eine Faraday-Rotatoranordnung zur Verwendung in Verbindung mit einem Multimoderinglasergyroskop, für einen optischen Kontakt zwischen dem Block und den Modeunterdrückungsmitteln sorgt, so daß diese Mittel in einer Lagegenauigkeit mit dem optischen Weg eines Multioszillatorringlasergyroskops gehalten werden können. Die Modeunterdrückungsmittel weisen einen länglichen optischen Bolzen mit wenigstens einem Ende auf, welches eine niedrige Oberflächenrauheit und eine optische Ebenheit aufweist. An der optisch flachen Oberfläche ist ein glattflächiger optischer Flansch mit einem größeren Durchmesser als der längliche optische Bolzen angeordnet, so daß der Flansch eine innere, optisch flache Oberfläche bildet, welche passend für den optischen Kontakt zu der polierten äußeren Oberfläche eines Ringlasergyroskopblocks ist. (Siehe Fig. 6 bei 47). Der längliche optische Bolzen ist von einer zylindrischen Form, um leichter in dem transversalen Loch des Rahmens, in welchen die Anordnung eingesetzt wird, angeordnet zu werden. Am anderen Ende des Bolzens ist eine Öffnung ausgebildet, um für eine transversale Modeunterdrückung und eine optisch kontaktierte einsetzbare Öffnungsanordnung zu sorgen. Zusätzlich ist ein optisch poliertes Faraday-Glasstück zur Vermeidung einer nicht-reziproken Rotation optisch kontaktiert und montiert auf einer flachen Oberfläche des optischen Bolzens, passend für die Positionierung und die Ausrichtung des Bolzens. Dabei ist das Faraday-Glasstück in den Block ohne unnötigen Druck und Spannung montiert.
• Bei bestimmten Ausführungsbeispielen der Erfindung ist das Modeunterdrückungsmittel eine mechanisch präzise Bolzenanordnung mit einem ungewöhnlich festen Sitz oder optischen Kontakt zu der Seiten-, Decken- oder Bodenbohrung des Ringlasergyroblocks.
• Die optische Kontaktierung der Bolzenanordnung an den Ringlaserblock schließt zusätzlich Verschmutzungsmaterial aus und unterstützt und positioniert optische Elemente sehr genau. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist ein Flansch an dem äußeren Ende der Anordnung angeordnet und die Oberfläche dieses Flansches liegt dem Laserblock mit einem optisch flachen Finish gegenüber. Naheliegend der Aufnahmeseite, der Bodenbohrung oder Deckenbohrung bildet die äußere Oberfläche des Blocks auch eine optisch flache Oberfläche. Die Form der Bohrung entspricht sehr der Form des Körpers der Anordnung oder Bolzens, aber eine wesentliche Toleranz besteht zwischen dem Bolzen und der Bohrung, um eine Rotations- und Translationsbewegung des Bolzens während der Ausrichtung vor der endgültigen Positionierung des Bolzens innerhalb der Bohrung zuzulassen, und die Ebene der optisch flachen Oberfläche auf dem angebrachten Flansch ist in einem Winkel relativ zu der Achse des Bolzens positioniert, so daß, wenn der Bolzen in die Bohrung eingesetzt wird, die optisch flachen Oberflächen auf dem Flansch und der Außenseite des Laserblocks parallel und in passendem Kontakt sind. Ohne jeglichen Zement oder einen anderen Kleber zwischen den optisch flachen Kontaktoberflächen, dichtet die Adhäsion zwischen den zwei Oberflächen die Bolzenanordnung in der Bohrung durch Coulombanziehung.
• Die Anordnung sollte genau gearbeitet sein, so daß die Faraday-Optik, die Modezurückweisungsöffnung oder andere Optiken genau mit dem Laserstrahl innerhalb des Ringlasers ausgerichtet sind, wenn die Anordnung sauber in der Seitenbohrung des Laserblocks eingesetzt ist.
• Um eine Fehlausrichtung der von dem Bolzen getragenen optischen Elemente relativ zu den Laserstrahlen zu vermeiden, sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß die eingesetzte Anordnung und der Gyrolaserblock aus dem gleichen Material hergestellt sind, wobei sie sich zusammen ausdehnen, um so einen induzierten Druck zwischen dem Bolzen und dem Ringlaserblock zu verhindern. Ein bevorzugtes Material ist Glaskeramik und die bevorzugte Glaskeramik hat eine minimale Größenänderung mit erwarteten Temperaturänderungen. Eine solche Glaskeramik, welche in dieser Anordnung verwendet wird, hat das Warenzeichen oder den Handelsnamen ZERODUR.
• In einem weiteren Ausführungsbeispiel ist das Faraday-Glasstück auf einem Trägergestell angebracht, welches sich nach auswärts und senkrecht von der Oberfläche des Bolzens aus erstreckt. Eine Vielzahl von ringförmigen magnetischen Dipolen umgeben den Umfang des Faraday-Glasstücks und sind auf den optischen Bolzen montiert, wobei die Dipole untereinander und mit dem Bolzen mittels eines metallischen Dichtungsmaterials befestigt sind. Die Dipole sind nicht direkt kontaktiert und setzen das Faraday-Glasstück auch nicht unter Druck. Das metallische Dichtungsmaterial kann Indium sein.
• Eine alternative Ausführungsform der Faraday-Rotatoranordnung weist einen Bolzen und einen Flansch auf, welcher optisch an einem Ende des Bolzens kontaktiert ist. Der längliche Bolzen wird dann in ein transversales Loch eingesetzt, welches die Anordnung aufnimmt. An dem anderen Ende des länglichen Bolzens ist ein Faraday-Glasstück an diesem Ende angebracht und optisch mit dem Bolzen kontaktiert.
• Dieser Faraday-Rotator kann im wesentlichen kubisch in seiner Form sein, um leichter hergestellt zu werden.
• Fig. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Prototyps eines nichtplanaren Multioszillatorringlasergyroskops, wobei die Einsetzung von bekannten Rotatoranordnungen in den Gyroskopblock oder -rahmen sowie die Positionierung der Rotor- und Öffnungsanordnungen, welche Gegenstand dieses Dokuments sind, dargestellt ist.
• Fig. 2 zeigt einen Querschnitt einer bekannten flintengeladenen Faraday-Rotatoranordnung 42 von Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt eine Seitenansicht, teilweise im Querschnitt, eines ersten Ausführungsbeispiels einer Faraday-Rotatoranordnung.
• Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Faraday-Rotatoranordnung zur Verwendung in Verbindung mit Permanentmagneten außerhalb des optischen Weges.
• Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Faraday-Rotatoranordnung in perspektivischer Ansicht, bei welcher eine Vielzahl von ringförmigen Permanentmagneten verwendet werden.
• Fig. 6 ist ein abgebrochener Querschnitt, welcher zwei verschiedene Dichtungstechniken zum Sichern einer eingesetzten Öffnungsanordnung in den Gyroskopblockrahmen 12 innerhalb des optischen Hohlraums 48 zeigt.
• Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Rotatoranordnung, wobei der längliche Bolzen 112 einen optischen Kontakt entlang von wenigstens zwei seiner Oberflächen bildet.
• Die in sich geschlossene Faraday-Rotatoranordnung besteht aus einem Glaskeramikbolzen, welcher so ausgebildet ist, um das Faraday-Rotatorelement derart zu fixieren, um die Handhabung zu minimieren und die Ausrichtung gegenüber dem Ringlasergyroskophohlraum zu erleichtern. Ein wesentlicher Vorteil dieser Ausgestaltung ist, daß das Faraday-Element außerhalb des Hohlraums ausgerichtet und an den Glaskeramikbolzen gedichtet werden kann. Dies reduziert in erheblichem Maße die Gefahr einer Hohlraumverschmutzung und die Möglichkeit eines Rotatoroberflächenqualitätsverlustes aufgrund der Verschmutzung und/oder der Handhabung während der Ausrichtung des Rotators zum Hohlraum. Wenn die Anordnung erst einmal hergestellt ist, so kann sie in den Hohlraum durch ein einziges Loch entweder an der Seite, dem Boden oder der Decke des Rahmens (abhängig von der besonderen Rahmengestaltung) eingesetzt werden. Die Anordnung ist dann an den Rahmen mittels optischer Kontaktierung eines flachen Substrats an einem Ende des zylindrischen Bolzens, an das Äußere des Rahmens (siehe Fig. 6) gedichtet. Falls ein Ersetzen der Rotatoranordnung während oder nach der Hohlraumausrichtung notwendig ist, wird der Flansch entfernt und die gesamte Anordnung zurückgezogen, so daß eine vollständig neue Anordnung wieder eingesetzt werden kann.
• Mit der in sich geschlossenen Faraday-Rotatoranordnung ist die Gefahr der Hohlraumverschmutzung und die Zeit, welche erforderlich ist, um die nachteilige Ausrichtung auszuführen, in erheblichem Maße reduziert, da alle Komponenten der Anordnung außerhalb des Hohlraums ausgerichtet und gedichtet werden.
• Falls sich der Rotator aus irgendeinem Grund beim nachteiligen Ausrichten verschlechtert, kann die gesamte Anordnung weggeworfen werden und ein neuer Versuch kann gemacht werden, ohne die Sauberkeit des Laserhohlraums aufs Spiel zu setzen. Um diesen Vorgang zu beschleunigen, können viele Anordnungen hergestellt und gelagert werden, so daß der Techniker Zugriff zu mehr als einer Anordnung während des Aufbauens hat. Um eine Oberflächenqualitätsverschlechterung während der Lagerung zu vermeiden, sind die Rotatoranordnungen in evakuierten Trockenapparaten enthalten.
• Eine Seiten, Decken- oder Bodenbohrung wird gewöhnlich mit einem runden Querschnitt von der Außenseite her in einem Ringlasergyroblockrahmen gebildet, wobei der Ringlaserhohlraum durchschnitten wird. Der Winkel des Durchschneidens ist gewöhnlich im wesentlichen 90º, aber eine breite Änderung hinsichtlich des Winkels ist erlaubt. Es ist jedoch notwendig, daß der Einschneidewinkel bekannt ist und daß der Bolzen und seine daran angebrachten optischen Elemente präzise an dem inneren Ende des Bolzens positioniert werden, um die Laserstrahlen in einer vorbestimmten Weise zu unterbrechen.
• Es ist bekannt, daß Standardpassungen zwischen kontaktierten Elementen sowohl Gleitsitze, Preßsitze und Sitze mit Toleranzen zwischen den Elementen beinhalten. Die Passung, welche in diesem Fall gewählt wurde, ist ein Null-Toleranzsitz, wobei die Teile innerhalb Bruchteile der Wellenlänge des sichtbaren Lichts aneinander angepaßt sind.
• In Fig. 1 ist ein Anschauungsmodell eines nichtplanaren Multioszillatorringlasergyroskops 10 dargestellt. Das Gyroskop ist aus einem monolithischen Blockrahmen 12 hergestellt, durch welchen eine Bohrung im wesentlichen entlang seines Umfangs ausgebildet ist, um die optischen Wege 48A, 48B, 48C und 48D zu definieren. Entlang des optischen Weges sind eine Vielzahl von Spiegeln 16, 18, 20 und 22 angeordnet. Der ganze Block ist auf einem Ständer 14 montiert. Die Laserwirkung des Gyroskops wird durch ein aktives Medium hergestellt, welches zwischen der Kathode 34 und jeder der Anoden 35 und 36, welche entlang des optischen Weges angeordnet sind, ausgebildet ist. Die Kathode 34 und die Anoden 35 und 36 bilden dazwischen ein aktives Verstärkungsmedium in einem herkömmlichen Gyroskop.
• Ein Teil des Weges kann mittels der Öffnung 46 eingeengt sein. Für den Betrieb und zur Kompensation von Temperaturveränderungen sind aktive Rückstreuungsdetektoren 28 vorgesehen, welche an einem Rückstreuungsprisma 30 positioniert sind und verwendet werden, um für eine Feedback-Information zu den Hohlraumlängenkontrollen 24 und 26 zu sorgen, damit sich so der Gyroskop den Temperaturänderungen in der Umgebung anpassen kann. Weiterhin sind Ausgangsoptiken 19 an halbdurchlässigen Spiegeln 18 angeordnet, zum Nachweis von Ausgangsinterferenzsignalen mittels des Detektors 21, welches verwendet werden, um eine Rotation zu messen, wie der Ringlasergyroskop 10 sie wahrnimmt.
• Lediglich zur Darstellung und zum besseren Verständnis und nicht als ein Beispiel eines voll funktionierenden Multioszillatorringlasergyroskops ist eine flintengeladene Faraday-Rotatoranordnung 42 gezeigt, welche in den optischen Weg 48C eingesetzt wird. Alternativ zu der flintengeladenen Anordnung kann eine Rotatoranordnung 40 transversal in den optischen Weg 48C geladen werden und optisch an den Körper des Gyrorahmens 12 gedichtet werdend wie nachfolgend näher beschrieben. Da die Funktion des Faraday-Rotators von der Gegenwart eines Magnetfelds abhängt, ist es notwendig, Permanentmagneten einzuführen. Bei bekannten Anordnungen sind kreisförmige Magneten einzeln während der Installation von Rotatoranordnungskomponenten indiumgedichtet worden. Die neue erfindungsgemäße, in sich geschlossene Gestaltung schafft die Möglichkeit, kreisförmige Magneten direkt an dem Glaskeramikbolzen und extern zu dem Hohlraum anzubringen. Die jüngste Magnetanordnungsgestaltung jedoch beinhaltet Permanentstabmagneten (transversal magnetisiert), welche in den Körper des Rahmens installiert sind, welcher die Bohrung (extern zu dem aktiven Hohlraum) umgibt, und zwar vor der Einsetzung des Bolzens in die Hohlraumbohrung. Um die eingeschnürte Öffnung, welche in den optischen Weg 48C gearbeitet ist, zu ersetzen, kann eine einsetzbare Öffnungsanordnung 44 an der Decke oder an der Seite in den optischen Weg 48C, wie dargestellt, eingesetzt werden. Die Öffnungsanordnung ist optisch kontaktiert mit dem Gyrorahmen 12 und definiert eine Öffnung 41, welche für transversale Modeunterdrückung, die in einem Ringlasergyroskop erforderlich ist, verwendet werden kann. Sowohl die Rotatoranordnung 40 als auch die Öffnungsanordnung 44 sind optisch an dem Gyrorahmen 12 kontaktiert, um so den Austritt des Gasmediums aus dem optischen Weg 48 zu verhindern. Fig. 3 zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der seitengeladenen optisch kontaktierten Rotatoranordnung 40. Ein länglicher Bolzen 70 ist optisch an der Oberfläche 79 an einen optisch polierten Flansch 72 kontaktiert. Ein Teil des zylindrischen Bolzens 70 ist ausgeschnitten und ein Gestell 75 erstreckt sich vorwärts von der Oberfläche des Bolzens 70, um ein optisch kontaktiertes und montiertes Faraday-Glasstück 78 zu unterstützen. Nicht in Kontakt mit, aber das Faraday-Glasstück 78 umgebend, sind zwei ringförmige magnetische Dipole in einer gegenüberliegenden Polkonfiguration angeordnet, so daß die Dipole 74 und 76 einen Quadrupol bilden, welcher einen gleichmäßigen magnetischen Fluß (als 71 dargestellt) erlaubt, der sich durch das Faraday-Glasstück 78 erstreckt. Eine Öffnung 68 ist hinter dem Gestell 75 gebildet, welche als eine Öffnung dienen kann, um die Anordnung 70 zu einer kombinierten Rotator- und Öffnungsanordnung zu machen. Weiterhin ist der Durchgang 68 durch den Trägerbolzen 70 sinnvoll, um einen Gasfluß durch den Bolzen, um das Glasstück 78 und durch die Magnete 74 und 76 zu gestatten. Der Erfinder hat herausgefunden, daß es vorteilhaft ist, daß jede seitengeladene Faraday-Rotatoranordnung derart konstruiert wird, daß der Gasfluß durch den Hohlraum, welcher den optischen Weg bildet, nicht unterbrochen wird, im Gegensatz zu den Lehren nach dem Smith '329-patent. Außerdem hat der Anmelder im Gegensatz zu Smith, welcher lehrt, daß die Faraday-Rotatorstücke 154 ein aus einem Stück bestehendes geflanschtes Teil sein sollte, eine Rotatorglasstückträgerstruktur herausgefunden, welche sich aus dem optischen Kontakt des länglichen Trägerbolzens 70 auf der Oberfläche des optisch glatten Flansches 72 ergibt. Dies gewährleistet es, daß der verbleibende geflanschte, sich erstreckende Teil der oberen Oberfläche des Flansches 72 passend für den optischen Kontakt mit dem Gyroskopblockrahmen 12 sein wird. Durch optischen Kontakt der ganzen Anordnung in dem Gyroskopkörper und durch Verwendung des gleichen Glasmaterials für diese Anordnung und für den Gyroskopblockrahmen 12 wird eine saubere Ausrichtung und Lagegenauigkeit des Rotators gewährleistet werden, selbst während Temperaturschwankungen und einer Vielzahl von unterschiedlichen Umgebungen, in welche der Gyroskop eingesetzt wird. Dies ist ebenfalls im Widerspruch zu der Lehre von Smith. Smith's Verwendung einer Einzelstück-Faradaystütze 144 lehrt gegen jede Fähigkeit, den äußeren Flansch dieser Rotatorstütze 154 auf dem Gyroblock 102 des Smith-Patents optisch zu kontaktieren. (Im Gegensatz zu der Ausgestaltung des Anmelders gewährleistet die Lehre von Smith keine zuverlässige und konsistente Ausrichtung des Rotators in dem optischen Weg, was nachteilig für die Gestaltung ist).
• Zwei Komponenten, welche optisch kontaktiert sind, wirken für die praktischen Zwecke wie ein einziges Stück, dessen Berührungsfläche nicht einfach getrennt werden kann. Diese Bedingung kann nur erreicht werden, falls die Elemente, welche miteinander kontaktiert sind, optisch flach und außerordentlich sauber sind.
• Eine Oberfläche, welche optisch flach ist, ist flach innerhalb der Bruchteile einer Wellenlänge des sichtbaren Lichts. Üblicherweise reicht dies von λ/2 zu λ/20, wobei λ die Wellenlänge, von der Größenordnung von 500 nm, ist. In besonders wirksamer Weise ist die Molekülstruktur jedes Stücks derart nahe Zusammengebracht werden, daß eine Coulombanziehung (Elektronen) zwischen ihnen existiert und wirksamerweise einen permanenten Kontakt herstellt. Lediglich etwa im letzten Jahrzehnt war es möglich gewesen, Glas und Glaskeramik-Poliertechnologien zu entwickeln, bei welchen Oberflächen von dieser Ebenheit erreicht werden konnten. Dies, verbunden mit fortgeschrittenen Reinigungsmethoden, hat hervorragende optische Kontakte ermöglicht.
• Die Vorteile von optischem Kontaktieren liegen vor allem im mechanischen Bereich. Glas (oder Glaskeramik)-Strukturen, welche zu kompliziert oder zu teuer zum maschinellen Herstellen sind, können effektiver hergestellt werden, indem Komponententeile mit optisch flachen Oberflächen gebildet werden, welche dann kontaktiert werden, um noch kompliziertere Strukturen herzustellen. Dieses Konzept ist bei der Faraday-Rotatoranordnung 40 angewandt worden. Weiterhin ist die Faraday-Rotatoranordnung 40 derart gebildet worden, daß die gesamte Struktur optisch an die Außenseite des Gyrorahmens kontaktiert werden kann. Dies ermöglicht eine genaue Lagegenauigkeit des Faraday-Elements, da das Material, aus welchem die Faraday-Rotatoranordnung ist, das gleiche ist wie der Gyrorahmen, in diesem Fall (Zerodur). Das ganze System (Rotatoranordnung und Rahmen) dehnt sich aus, zieht sich zusammen und verdreht sich bei thermischen und Druckumgebungen, als wenn es ein einzelnes vollständiges System wäre.
• Eine weitere alternative Ausführungsform der Rotatoranordnung ist in Fig. 4 gezeigt.
• Magneten 90A, 90B, 90B und 90D außerhalb des optischen Weges werden verwendet, um einen Oktupol zu bilden, um so für das Magnetfeld zu sorgen, welches in Verbindung mit dem Faraday-Rotatorglasstück 86 verwendet wird. Ebenso wie die vorausgehende Ausgestaltung gemäß Fig. 3 beinhaltet diese Ausführungsform der Rotatoranordnung 80 einen optisch glatten Flansch 84, welcher entlang einer Oberfläche 81 an einem Ende eines Trägerbolzens 82 optisch kontaktiert ist. Das Faraday-Glasstück 86 ist direkt auf eine flache Oberfläche des Bolzens 82 montiert. Ein Durchgang 88 ist durch den Bolzen ausgebildet, um den Durchgang entlang des optischen Weges zu gestatten. Die ganze Anordnung kann um ihre Achse 92 während einer anfänglichen Ausrichtung rotieren, um so das Rotatorglasstück 86 sauber in dem Magnetfeld, welches durch die Oktupolemagnete 90A bis D definiert ist, auszurichten.
• Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Faraday-Rotators, welcher wenigstens drei ringförmige Magneten 98A, 98B und 98C aufweist. Ein optischer Flansch 94 ist bei 97 optisch an einem Ende des optisch polierten Trägerbolzens 96 kontaktiert. Ein Teil des Trägerbolzens 96 ist weggeschnitten und bildet so ein Trägergestell 102, welches verwendet wird, um das nicht gezeigte Faraday-Glasstück zu montieren, welches innerhalb der abgeschnittenen Plattform 95 positioniert ist, aber diese nicht berührt. Ein Durchgang 104 ist in dem Trägerbolzen 96 ausgebildet, um so den Durchgang der Lichtstrahlen durch die Anordnung 100 zu gewährleisten.
• Ein weiteres Ausführungsbeispiel der seitenmontierten Faraday-Rotatoranordnung ist in Fig. 7 als 110 gezeigt. Die Faraday-Rotatoranordnung 110 ist in den Gyroblockrahmen 12 von der Seite her montiert, um den optischen Weg des Gyrorahmens 12 zu schneiden. Ein länglicher Trägerbolzen 112 ist optisch an einem Ende bei der Oberfläche 113 an einen optisch glatten Flansch 114 kontaktiert. An seinem anderen Ende ist der Trägerbolzen 112 entlang der Oberfläche 115 an einem Faraday-Rotatorglasstück 116 optisch kontaktiert. Das Faraday-Rotatorglasstück 116 kann vorzugsweise eine kubische Form haben, um leichter hergestellt zu werden. Weiterhin ist ersichtlich, daß das Faraday-Glasstück 116 eine Vielzahl von Formen haben kann, solange das Glasstück 116 optisch entlang einer ihrer Oberflächen zum optischen Kontakt zu einem Trägerbolzen 112 entlang einer Oberfläche 115 poliert ist. Auf diese Weise ist für die seitengeladene Faraday-Rotatoranordnung ein alternatives Ausführungsbeispiel gezeigt und beschrieben, welches extrem einfach in der Konstruktion ist und erfolgreich ist, da beide Enden des Trägerbolzens 112 zu anderen Komponenten der Anordnung optisch kontaktiert sind. Die Anordnung als Ganzes wird dann optisch an den Gyrorahmen 12 kontaktiert.
• Unterschiedliche verschiedene Ausführungsbeispiele einer Faraday-Rotator- und Öffnungsanordnung (seiten- und deckenmontiert, optisch kontaktiert an einen Gyroskoprahmen) zur Verwendung in Verbindung mit einem nicht planaren Multioszillatorringlasergyroskop sind beschrieben worden. Weitere Ausführungsbeispiele gemäß der erfindungsgemäßen Lehre sind für den Fachmann denkbar. Zum Beispiel kann der Trägerbolzen 82 (Fig. 4) anstelle eines Faraday-Rotators ein Wellenplättchen, einen Polarisator oder andere im Hohlraum angeordnete optische Elemente tragen.

Claims (13)

1. Multimode Ringlasergyroskop mit einem Block (12) mit einem darin angeordneten geschlossenen Hohlraum (48), wobei der Hohlraum einen nicht planaren geschlossenen optischen Weg mit Durchgängen (48a, 48b, 48c, 48d) bildet, welche sich zwischen entsprechenden Paaren von Spiegeln (16, 18, 20, 22) von einer Vielzahl an dem Block (12) angeordneten Spiegeln erstrecken, mit transversalen Mode-Unterdrückungsmitteln (40), welche mit dem Block (12) verbunden und in ein Loch in dem Block (12) eingelassen sind, wobei das Loch den optischen Weg schneidet, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Mode-Unterdrückungsmittel (40) an dem Block mittels eines optischen Kontakts zwischen kontaktierenden, optisch glatten Oberflächen (79) gesichert sind.

2. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die transversalen Mode-Unterdrückungsmittel einen glattflächigen optischen Flansch (72) und einen länglichen optischen Bolzen (70) enthalten, wobei der Bolzen (70) an einem Ende eine glatte Oberfläche und an dem anderen Ende eine Öffnung (68) für transversale Mode-Unterdrückung enthält, wobei der Bolzen (70) mittels optischem Kontakt auf den Flansch (72) montiert ist, die glatte Oberfläche des Bolzens und des Flansches optisch kontaktiert sind, der Flansch einen größeren Durchmesser als der Bolzen aufweist und einen optisch flachen Flansch um das glatte Oberflächenende des Bolzens bildet, wobei der optisch glatte Flansch von genügend niedriger Oberflächenrauheit ist, um eine polierte Oberfläche des Gyroskoprahmens (12) optisch zu kontaktieren, wenn die Transversal-Mode-Unterdrückungsmittel in das transversale Loch des Rahmens eingebaut werden.

3. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der längliche optische Bolzen (70) von einer zylindrischen Form ist, um leichter in dem transversalen Loch des Rahmens angeordnet zu werden, wobei der optische Bolzen (70) während der Herstellung in dem Loch rotieren kann, um so die Öffnung (68) innerhalb des geschlossenen optischen Weges genau auszurichten.

4. Multimode Ringlasergyroskop nach mindestens einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein optisch poliertes Faraday-Glasstück (78) zur Vermeidung einer nicht rezibroken Polarisationsrotation optisch kontaktiert und auf dem optischen Bolzen (70) angebracht ist.

5. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das optisch polierte Faraday-Glasstück (75) auf dem optischen Bolzen (70) an dem gleichen Ende wie die Öffnung (68) angebracht und gegenüber dieser ausgerichtet ist, wobei das Faraday-Glasstück die Öffnung bedeckt und ohne unnötige Spannung an dem Bolzen befestigt ist.

6. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Faraday-Glasstück (78), welches die Öffnung (68) bedeckt, auf einem Trägergestell angebracht ist, welches sich nach auswärts und senkrecht zu der Oberfläche des Bolzens erstreckt, wobei der Umfang des Faraday-Glasstücks von einer Vielzahl von ringförmigen magnetischen Dipolen (74, 76) umgeben ist, wobei die Dipole untereinander und mit dem Bolzen mittels eines metallischen Dichtungsmaterials befestigt sind und wobei die Dipole das Faraday-Glasstück nicht direkt kontaktieren.

7. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das metallische Dichtungsmaterial Indium ist.

8. Multimode Ringlasergyroskop nach wenigstens einem der Ansprüche 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine flache Oberfläche (115) am Ende des Bolzens (112) gegenüber dem Flansch (114) poliert ist, um ein optisch kontaktiertes Faraday-Glasstück (116) aufzunehmen, wobei das Faraday-Glasstück an dem gegenüberliegenden Ende des Bolzens mittels eines optischen Kontakts an dem Bolzen innerhalb des optischen Weges angebracht ist.

9. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Faraday-Glasstück im wesentlichen kubisch ist.

10. Multimode Ringlasergyroskop nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Block (12) wenigstens vier Eckspiegel und dazwischen Hohlraumdurchgänge hat, wobei die Hohlraumdurchgänge ein Lasergas und Mittel zur Anregung des Lasens von dem Gas beinhalten.

11. Multimode Ringlasergyroskop nach wenigstens einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine vielzahl von zusätzlichen Löchern in dem Block, wobei die Löcher sich von der Außenseite des Blockes in den Block hinein erstrecken und diese entsprechenden Löcher die Durchgänge des optischen Weges unter vorgegebenen Winkeln schneiden, wobei die den Löchern naheliegenden Außenseitenteile des Blocks optisch flach sind, wobei ein Bolzen für jedes der Löcher vorgesehen ist, und die Bolzen gemäß den Konturen ihrer entsprechenden Löcher geformt sind und gegenüber ihrem Bohrloch hermetisch abgedichtet sind, wobei jeder Bolzen einen Flansch an dem äußeren Ende davon hat, und die Oberfläche des Flansches von jedem Bolzen, welche dem Block gegenüberliegt, optisch flach ist, wobei die optisch flachen Oberflächen auf dem Bolzen und dem Rahmen parallel und in Kontakt sind, wenn der Bolzen in seiner voll eingesetzten Position ist und wobei das innere Ende eines der Bolzen an einem Faraday-Glasstück anliegt und deren Position fixiert.

12. Multimode Ringlasergyroskop nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Mode-beschränkende Öffnung, welche an dem inneren Ende eines zweiten der Bolzen anliegt und den Hohlraum schneidet.

13. Multimode Ringlasergyroskop nach wenigstens einem der Ansprüche 11 und 12, dadurch gekennzeichnet, daß Magneten für die Faraday-Elemente fest an dem Bolzen angebracht sind, an welchem die Faraday-Zelle angebracht ist.