FI80791C - Ringlasergyroskop. - Google Patents

Description

1 807S1

Rengaslaeergyroekooppi Tämä keksintö koskee patenttivaatimuksen 1 johdannon mukaista rengaslaeergyroskooppia. Erityisesti koskee keksintö Fresnel-Fizeau laahausefektin kumoamista, joka efekti on seuraus Lang-muir-virtausilmiöstä, joka aiheuttaa gyron ulostulon vinosiir-tymää.

Yleensä on lasergyroskooppilaitteissa kaksi tai useampia aaltoja kulkemassa vastakkaisiin suuntiin pitkin suljettua tietä, johon sisältyy laservahvistusainetta, niin että laitteen pyörintä tiellä olevan akselin ympäri aiheuttaa sen, että tien pituus vastakkaisiin suuntiin pyöriville aalloille on erilainen ja riippuvainen pyörintänopeudesta. Kahden aallon tai kahden taajuuden järjestelmässä on havaittu, että pienillä pyörintänopeuksi1la, jotka vastaavat pientä teoreettista taajuuseroa, on todellinen uloetulotaajuuserotus nolla tai olennaisesti pienempi kuin olisi odotettavissa, mikä johtuu lu-kittumisilmiöstä. Uskotaan, että lukittumispulma johtuu kytkennästä aaltojen välillä, mikä voi aiheutua lukuisista mahdollisista seikoista, kuten laserin energian takaisinsironnasta lasertiellä olevista elementeistä, kuten heijastimista tai polarisaatiota hajottavasta rakenteesta taikka sironta-keskuksista laservahvistinaineessa itsessään.

Yhdessä merkittävimmistä lasergyroskoopeista, joita tähän asti on ehdotettu ja konstruoitu, käytetään neljää aaltoa kahtena parina, jotka kummatkin etenevät vastakkaisiin suuntiin. Tällaisia järjestelmiä on esitetty ja selitetty US-patenteie-sa 3 741 657 ja 3 854 819, joihin tässä viitataan. Tällaisissa laserjärjestelmissä käytetään kaikkien neljän aallon kier-topolarointia. Siihen aaltopariin tai sädepariin, joka etonee myötäpäivään, sisältyy sekä vasempaan kiertopolaroituja (LCP) aaltoja että oikeaan kiertopolaroituja <RCP> aaltoja 2 80791 samoin kuin siihenkin aaltopariin, joka etenee vastapäivään. Tämä nelitaajuinen eli monioskillaattori-rengaslaseri-gyro muodostaa keinon, jolla vältetään lukittumispulma, joka esiintyy kaikissa tavanomaisissa eli kaksitaajuisis-sa laserigyroskoopeissa. Tämä ratkaisu voidaan selittää kahtena riippumattomana laserigyrona, jotka toimivat yhdessä stabiilissa resonaattoriontelossa jakaen yhteisen optisen tien, mutta staattisesti etujännitettyinä vastakkaisilla tavoilla Selmalla passiivisella etujännite-elementillä. Näiden kahden gyron differentiaaliulostulossa etujännite kumoutuu samalla kun pyörinnän kehittämät signaalit summautuvat, niin että vältetään tavallinen pulma, joka johtuu etujännitteen ajelehtimisesta ja saadaan herkkyys, joka on kaksinkertainen yhden kaksitaajuusgyron herkkyyteen verrattuna. Koska etujännitteen ei tarvitse huojua, ei gyro milloinkaan kulje lukituskohdan kautta. Tästä syystä ei instrumentin suorituskykyä rajoita huojunnan aiheuttamat virheet. Tämän vuoksi on nelitaajuinen gyro luonteeltaan pienhäiriöi-nen instrumentti ja se sopii hyvin käyttötarkoituksiin, joissa tarvitaan nopeaa tilan päivittämistä tai suurta erottelukykyä.

Valon etenemisnopeus liikkuvassa väliaineessa riippuu liikkuvan aineen nopeudesta. Laserigyroskoopissa liikkuva aine laahaa laserisädeaaltojen resonanssivalotaajuuksia aineen mukana tuottaen taajuussiirtymän, joka tehokkaasti simuloi pyörintänopeutta. Tämä taajuussiirtymä on Fresnel-Fizeau-laahausefekti, josta on seurauksena gyron ulostulovoima.

Helium-neon-kaasupurkaus-laserigyroskopin sisällä on sellainen liikkuva aine. Langmuir-virtausilmiöstä, jossa plasman raskaat ionit ovat -voimakkaammin kytketyt kaasupurkaus-putken seiniin kuin elektronit, on seurauksena kaasun net-tovirtaus putken keskellä kohti katodia ja paluuvirtaus pitkin seiniä vastakkaiseen suuntaan. Täten laserigyroskoo-pin onteloporauksessa on suuri nopeusgradientti.

ii 3 80791

Freenel-Fizeau-laahausefekti on ollut yksi varhaisimmin havaituista virhelähteistä, jotka vaikuttavat kaksitaajuisiin sekä monitaajuisiin lasergyroskooppeihin. Yksi ennestään tunnetuista menettelyistä on ollut pyrkimys tukahduttaa tai kumota mainittu laahausefekti täsmälleen symmetrisesti halkaistulla purkauksella, jolloin vaaditaan täsmällistä elektronivirtalähdettä (syötettynä kahteen anodiin) ylläpitämään yhtäläisyyttä sähkövirroissa, jotka kulkevat halkaistun purkaustien kummassakin puolikkaassa mutta vastakkaisiin suuntiin. Kulkevat resonanssivalotaajuudet kohtaavat kaasuvirtaukset, jotka on aseteltu halkaistuilla purkausvirroilla ja yhden purkausvirran laahusefekti pyrkii kumoutumaan toisen purkausvirran laahausefektin vaikutuksesta.

Toisena ennestään tunnettuna keinona on ollut kehittää pien-taajuiset amplitudimoduloidut virrat kumpaankin kaksitaajui-seen rengaslasergyron anodiin tuottamaan modulaatio kaasunpur-kausvirtaukeen nopeuteen, mistä on seurauksena Fizeau-efektin kumoutuminen. Tämä keino vaatii kuitenkin huomattavaa elektronista virtapiiristöä optisen rengaslaserontelon ulkopuolella.

Esillä olevalla keksinnöllä aikaansaadaan Fresnel-Fizeau-laahausefektien kumoutuminen resonanssivalotaajuuksila tarvitsematta kahta anodia ja näihin liittyvää tarkkuuselektro-niikkaa rengaslaserontelon ulkopuolella.

Keksinnön mukaiselle lasergyroskoopi1le on tunnusomaista se, että aktivointivälineet on sovitettu niin, että vain yksi, vast, jokaisella ajankohdalla yksi ainoa virtatie sähköpurkaukselle on toimiva, ja että virtatie on sovitettu niin, että yksittäinen purkausvirta suljetun, vast, kunkin suljetun etenemistien ennakolta määrätyssä osassa noudattaa kiertävää aaltoa tämän etenemissuunnassa, kun taas suljetun etenemistien toisessa osassa mainittu purkausvirta virtaa vastakkaiseen suuntaan mainittuun aaltoon nähden.

Näin ollen siis purkausvirta, joka kulkee osalla suljettua tietä, kohtaa useat aallot näiden etenemissuuntaan näh- 4 80791 den samassa ja vastakkaisessa suunnassa siten kumoten Fresnel-Fizeau-laahausefektin, joka muutoin näkyisi vinoutena gyron ulostulossa. Lisäksi sisältyy mainittuun suljettuun tiehen useita heijastimia mainittujen aaltojen suuntaamiseksi mainitun tien ympäri, magneto-optiset välineet, jotka muodostavat ei-resiprookkisen etujännitteen mainituille sähkömagneettisille aalloille ja ei tasossa oleva suljettu tie kantaa vasempaan ja oikeaan kiertopola-roituja aaltoja.

Edullisessa suoritusmuodossa sijaitsee kanavan ensimmäisen tason, joka käsittää ensimmäisen osan mainittuja sähkömagneettisia aaltoja, ja toisen tason leikkauskohdassa, joka käsittää toisen osan mainituista aalloista. Tällainen ei tasossa oleva suljettu tie aikaansaa taajuushalkaisun vasempaan kiertopolaroitujen ja oikeaan kiertopolaroitujen aaltojen välillä. Fresnel-Fizeau-laahausefektin kumoamisesta johtuvan parannuksen lisäksi, joka johtuu purkaustien itsekompensoinnista, mahdollistaa yksi purkausvirta sen, että mainitussa ontelossa oleva katodi voidaan tehdä pienemmäksi. Kahden tai useamman optisen ontelon tai laseri-renkaan purkausvirtatie voidaan kytkeä sarjaan, mikä tekee mahdolliseksi purkausvirran kulun läpi useampien akseleiden tai useamman kuin yhden laserirenkaan lävitse käyttämällä vain yhtä katodia ja yhtä anodia.

Keksintö koskee edelleen moniakselista laserigyroskooppia, jossa on kaksi tai useampia suljettuja teitä, joista kukin on varustettu vahvistinaineella useiden aaltojen etenemistä varten vastakkaisiin suuntiin, kunkin suljetun tien mainituista aalloista ollessa eri taajuinen, välineet mainitun laserivahvistinaineen aktivoimiseksi tuottamalla sähköpur-kausvirta yhden anodin ja yhden katodin väliin mainitussa aineessa, jonka on heliumin ja neonin seos, välineet mainitun yhden purkausvirran johtamiseksi osalla kutakin mainittua suljettua tietä kohtaamaan mainitut useat aallot mainitulla tiellä samaan ja vastakkaiseen suuntaan mainit-

II

s 80791 tuihin aaltoihin nähden, välineet mainitun suljetun tien kytkemiseksi tien muodostamista varten mainitulle purkaus-virralle mainittujen suljettujen teiden välillä ja gyro-lohkovälineet, joihin kuuluu yksi tai useampia mainittuja suljettuja teitä. Joukko heijastimia sisältyy kuhunkin mainituista suljetuista teistä mainittujen aaltojen suuntaamiseksi ympäri mainittuja teitä, magneto-optiset välineet kullakin tiellä muodostamaan ei-resiprookkinen vinous mainituille sähkömagneettisille aalloille ja ei-planaariset suljetun tien kantoelimet vasempaan ja oikealle kiertopola-roituja aaltoja varten. Mainittuina suuntausvälineinä mainittua purkausvirtaa varten on edullisesti kanava, joka kytkee toisiinsa kaksi pistettä kullakin mainituista teistä pitkin ensimmäisen tason, joka käsittää mainittujen aaltojen ensimmäisen osan ja toisen tason leikkausta, joka käsittää mainittujen aaltojen toisen osan. Reikäelimet muodostavat tien mainitulle yhdelle purkausvirralle mainittujen suljettujen teiden välillä, kun nämä on sijoitettu yhteen gyrolohkorakenteeseen.

Esillä oleva keksintö koskee edelleen laserigyroskooppilohkoa, jossa on kaksi tai useampia erillisiä ja riippumattomia suljettuja teitä, joissa kussakin on vahvistinainetta, useiden sähkömagneettisten aaltojen etenemistä varten vastakkaisiin suuntiin, jolloin suljetun tien kullakin mainituista aalloista on eri taajuus, välineet mainitun laser-vahvistinaineen aktivoimiseksi kussakin mainituista suljetuista teistä muodostamalla yksi sähköpurkausvirta mainitussa aineessa anodin ja katodin välillä kussakin suljetussa tiessä ja välineet mainitun yhden purkausvirran suuntaamiseksi osilla kutakin mainittua suljettua tietä kohtaamaan mainitut useat aallot kussakin mainitussa suljetussa tiessä samaan ja vastakkaiseen suuntaan mainittuihin aaltoihin nähden. Joukko heijastimia sisältyy kuhunkin mainituista suljetuista teistä suuntaamaan mainitut aallot ympäri mainittujen teiden, magneto-optiset välineet kussakin tiessä muodostamaan ei-resiprookkinen vinous mainituille sähkömag- 6 80791 neettisille aalloille ja ei-planaariset suljetun tien kanto-elimet vasempaan ja oikealle kiertopolaroituja aaltoja varten. Mainitun purkausvirran suuntausvälineinä on edullisesti kanava, joka kytkee toisiinsa kaksi pistettä kullakin mainituista teistä pitkin ensimmäisen tason, joka käsittää mainittujen aaltojen ensimmäisen osan ja toisen tason leikkausta, joka käsittää mainittujen aaltojen toisen osan.

Keksinnön muita piirteitä ja etuja käy ilmi oheisista piirustuksista .

Kuvio 1 on isometrinen piirustus yksiakselisen rengasla-serigyroskoopin optisesta lohkosta, joka on keksinnön mukainen .

Kuvio 2 on diagramma kuviossa 1 kuvatun monioskillaattori-rengaslaserigyroskoopin toimintaominaisuuksista.

Kuvio 3 on lohkokaavio keksinnön mukaisesta monioksillaat-tori-rengaslaserigyroskooppijärjestelmästä.

Kuvio 4 on diagramma neliörengaslaseri-gyroskooppiontelos-ta, jossa on yksi itsekompensoiva kaasupurkaustie.

Kuvio 5 on diagramma edullisesta suunnikasrengas-gyroskoop-piontelomuodosta, johon sisältyy itsekompensoiva kaasupurkaustie.

Kuvio 6A on kaavio kaasupurkauspiiristä rengaslaserigyros-koopissa, jossa on käytetty jännitelähteen etujänniteverkkoa. Kuvio 6B on graafinen esitys jännite-virta-ominaiskäyrästä halutuille ja ei-halutuille kaasupurkausteille kuormitus-suoran valitessa stabiilin toimintapisteen halutulle purkaustielle.

Kuvio 7A on kaavio kaasupurkauspiiristä rengaslaseri-gyros-koopille, jossa on käytetty etuvirtaverkkoa.

Kuvio 7B esittää haluttujen ja ei-haluttujen kaasupurkaus-teiden jännite-virta-ominaiskäyriä, kun kuormituslinjalla on valittu stabiili toimintapiste halutulle purkaustielle.

" Kuvio 8 esittää kaaviollisesti neliörengas-laseriontelo- rakennetta kuvaten ennestään tunnettua tapaa käyttää kahta 7 80791 anodia muodostamaan kaksi kaasupurkaustietä.

Kuvio 9 on isometrinen piirustus kaksiakselisen rengasla-serigyroskoopin optisesta lohkosta, jossa keksinnön mukaista rakennetta on käytetty kummassakin renkaassa, jotka on kytketty toisiinsa käyttämällä yhtä kaasupurkausvirtaa yhdestä anodista yhteen katodiin.

Kuvio 10 on isometrinen piirustus kahdesta erillisestä suljetusta rengaslaseritiestä, jotka sijaitsevat samassa optisessa lohkossa ja joissa kummassakin ei-planaarisessa renkaassa on käytetty esillä olevaa keksintöä.

Kuviossa 1 on kuvattu kaavio laserigyroskoopin optisesta lohkosta 10, jossa on anodi 12, anodiporaus (-reikä) 13, katodiontelon 17 sisällä katodi 14, katodiporaus 15 ja rengastie 16A, 16B, 16C, 16D, 16E ja 16F laserisäteille muodostettuna neljällä heijastimella 18, 20, 22 ja 24. Kanava 28 heijastimen 20 ja heijastimen 24 välillä ja sarjassa la-seriteiden 16B ja 16E kanssa muodostaa yhden itsekompensoi-van kaasupurkaustien anodin 12 ja katodin 14 välillä laser ivahvistinainetta 16 varten, jona on kaasuseos heliumista ja neonista. Seos 3„ , 20., ja 22.. suhteessa 8:0,53:0,47 on edullinen, vaikkakin muut seokset ovat yhtä hyvin mahdollisia. Katodiporaus 15 muodostaa yhdistävän tien rengastiesegmenttien 16B ja 16C sekä katodin 14 välille; anodiporaus 13 muodostaa yhdistävän tien rengastiesegmenttien 16E ja 16F sekä anodin 12 välille.

Gyrolohko 10 on edullisesti konstruoitu materiaalista, jolla on alhainen lämpölaajenemiskerroin, kuten lasike-raamisesta aineesta, tarkoituksella minimoida lämpötilan muutosten vaikutus laserigyroskooppijärjestelmään. Edullista kaupallisesti saatavissa olevaa ainetta myydään nimellä Cer-Vit C 101, Owens-Illinois Company, vaihtoehtona on Zerodur, valmistajana Schott.

Edullisen suoritusmuodon mukainen laserigyroskooppilohko, 8 80791 jossa käytetään neljää aaltoa tai taajuutta, toimii tavalla, joka on selitetty edellä mainituissa, keksinnön taustaan kuuluvissa patenteissa. Sähkömagneettiset laseriaal-lot etenevät pitkin suljettua rengastietä 16A, 16B, 16C, 16D, 16E ja 16F. Kuvio 2 esittää laseriaineen vahvistin-käyrää, jossa on osoitettu neljän aallon taajuuksien asemat. Aallot, joiden taajuudet ovat ja f4 kiertävät myötäpäivään kun taas aallot, joiden taajuudet ovat f2 ja f^, kiertävät vastapäivään. Kaikki neljä aaltoa on edullisesti kiertopolaroitu siten, että taajuudet f^ ja f2 omaavat aallot on vasempaan kiertopolaroitu ja taajuudet f3 ja omaavat aallot on oikeaan kiertopolaroitu.

Kuvion 1 mukaisesti kuuluu rengaslaseritiehen ensimmäinen osa rengassegmenttejä 16A, 16E ja 16F, jotka sijaitsevat XZ tasossa ja toinen osa rengassegmenttejä 16B, 16C ja 16D, jotka sijaitsevat YZ tasossa. Kanava 28 sijaitsee näiden kahden tason leikkauksessa. Tämä ei-planaarinen rengas kantaa luontaisesti vain kiertopolaroituja aaltoja ilman kiderotaattorin käyttämistä. Heijastimien 18-24 sijoittaminen rengastielle 16A-16F tuottaa vaihemuutoksen, joka muuttaa aaltojen resonanssitaajuuksia. Kuten on esitetty kuviossa 2, on tuloksena se, että vasempaan kiertopolaroi-duilla aalloilla (f^ ja f2) on eri resonanssitaajuus kuin oikeaan kiertopolaroiduilla aalloilla (f3 ja f4). Tämä ei-planaarinen sähkömagneettinen rengasresonaattori on esitetty ja selitetty US-patentissa 4 110 045.

Kuviossa 3 on Faraday-rotaattori 30 esitetty rengaslaseri-tien yhdessä osassa heijastimien 18 ja 20 välillä. Tämä ei-resiprookkinen magneto-optinen laite tuottaa vaiheviiväs-tymävinouden aalloille, jotka on kiertopolaroitu jompaan kumpaan suuntaan ja kulkevat myötäpäivään ja tämä vaihevii-västymävinouson erilainen kuin samalla tavoin polaroidun aallon vaiheviivästymä, joka kulkee vastapäivään. Heijastimien 18-24 ja Faraday-rotaattorin 30 yhdistelmä on sellainen, 9 80791 että rengasresonaattori tukee aaltoja, joiden värähtelytaajuudet ovat sellaiset kuin kuviossa 2 on esitetty. On kuitenkin olemassa myös muita keinoja samojen tulosten aikaansaamiseksi kuin Faraday-rotaattori. Yksi sellainen keino, jossa käytetään Zeeman-efektiä, on esitetty US-patentissa 4 229 106.

Kuviossa 3 on laserigyroskoopin optinen tie 16A-16F esitetty kytkentöineen laserigyroskoopin oheiselektroniikkaan ja -optiikkaan. Suurjännitetehon lähde 34 tuottaa suuren negatiivisen jännitteen katodille 14 ja suuren negatiivisen jännitteen pietsosähköiselle käyttölaitteelle 38. Purkauksen säätöelektroniikka 36 anodijohdossa 12 aikaansaa anodista katodiin kulkevan virran säädön kiinteään ja vakinaiseen arvoon; eri gyrolohkot vaativat eri katodivirran arvot riippuen optisista häviöistä kysymyksessä olevassa gyroloh-kossa.

Tien pituuden ohjausjärjestelmä om takaisinkytkentäverkko, joka ylläpitää asianmukaisen ja optimaalisen optisen tien pituuden gyro-ontelon sisällä. Siihen kuuluu ilmaisinetuvah-vistin 42, tien pituuden ohjain 40 ja suurjännitteisen pietsosähköisen käyttölaitteen 38 elektroniikka. Optista tien pituutta säädellään heijastimella 22, joka on asennettu pietsosähköiselle muuntimelle 31. Suurjännitteiden käyttölaite käyttää pietsosähköistä muunninta 31 jännitteelle, jonka vaihtelualue on 0-400 volttia. Koska stabiilit toimintapisteet tai -tavat osuvat tien pituuden väleille, joiden ero on puolet laserin aallonpituudesta, valitaan normaalisti pysyväksi toimintapisteeksi moodi, joka on lähinnä muun-timen dynamiikka-alueen keskusta. Ilmaisinetuvahvistin 42 erottaa vastaanotetusta ulostulo-optiikasta 32 vaihtojänni-tesignaalit ja tasajännitesignaalit. Vaihtojännitesignaalit ovat siniaaltoja, jotka edustavat gyron ulostuloa ja ne lähetetään signaaliprosessoriin 44, missä ne muutetaan kahdeksi digitaaliseksi pulssivirraksi 3a ^3~^4^ ' j°ll°in 10 80791 yksi pulssi tuotetaan tulevien jänniteaaltomuotojen jokaisella jaksolla. Tien pituuden säätö on täysin selitetty US-patentissa 4 108 553. Tämä patenttijulkaisu sisältyy viitteenä esillä olevaan hakemukseen.

Ulostulo-optiikka 32 ottaa osan kustakin säteestä, joka kiertää laseriontelossa, tuottaakseen mainitut kaksi ulostulosignaalia 3a 3°ista kumpikin edustaa taa juuseroa taajuusparien välillä, joilla on samansuuntainen kiertopolarointi kuviossa 2 esitetyn mukaisesti. Ulostulo-heijastimessa 18 on siirtopäällyste yhdellä sivulla, sä-teenhalkaisupäällyste toisella sivulla. Molemmat päällysteet ovat standardityyppiä ja niissä on käytetty neljännes-aaltopinoja TiC^ssta ja SiC^sta. Säteenhalkaisupäällyste siirtää puolet tulevasta intensiteetistä ja heijastaa toisen puolen. Retroheijastavaa (takaisinheijastavaa) prismaa käytetään näiden kahden säteen sekoittamiseen (heterodyne).

Tämä on suorakulmainen prisma, joka on valmistettu sulatetusta kvartsista ja siinä on hopeoidut heijastuspinnat. Di-elektristä päällystystä käytetään hopean ja sulatetun kvartsin välissä vaihevirheen minimoimiseksi heijastuksessa. Nel-jännesaaltolevyä, jota seuraa arkkipolaroija, käytetään erottamaan kussakin säteessä olevat neljä taajuutta. Kiilaa käytetään takaisinheijastavan prisman ja neljännesaaltole-vyn välissä halutun tulokulman saavuttamiseksi. Fotodiodi-peitelasi (yhdeltä sivulta heijastamattomaksi päällystetty) ja fotodiodipakkaus täydentävät ulostulo-optiikan 32.

Optista sementtiä (joka kovetetaan ultraviolettia valoa käyttämällä) on käytetty eri pintojen välillä tartunnan aikaansaamiseksi ja heijastusten minimoimiseksi. Ulostulo-op-" · tiikka on täysin selitetty US-patentissa 4 414 651, tämä pa tenttijulkaisu sisältyy viitteenä esillä olevaan hakemuk-seen.

Laserivahvistinaineen dispersio aiheuttaa rengaslaserigyro-skooppisuorituskyvyn staattisilla efekteillä ja liikkuvan aineen efekteillä. Tien pituuden ohjauksen ja rengaslaseri-

II

η 80791 gyron etujännitteen lämpötilaherkkyys johtuen dispersiosta voidaan eliminoida asianmukaisesti valitsemalla neonisotoop-piseos ja tien pituuden ohjauksen intensiteetti-epäsovituk-sen servosäädön toimintapiste. Tärkein liikkuvan aineen efekti tuotetaan tasajännitteellä aktivoidulla helium-neon-kaasupurkauksella, mistä on seurauksena resonanssin taajuus-siirrot, joita nimitetään Fresnel-Fizeau-laahaukseksi. Tämä Fresnel-Fizeau-laahaus aiheutuu Langmuir-virtaus-ilmiöstä, jonka mukaan plasman raskaat ionit ovat voimakkaammin kytketyt kaasupurkausputken seiniin kuin elektronit, mistä on seurauksena kaasun nettovirtaus putken keskellä kohti katodia ja paluuvirtaus pitkin seiniä vastakkaiseen suuntaan.

Keksinnön mukaisesti on gyrolohko 10 varustettu lisätiellä tai kanavalla 28, kuten on esitetty kuviossa 1. Tällä kanavalla on muodostettu pienvastuksinen, Itsekompensoiva kaasu-purkaustie, Z-tie 16E, 28 ja 16B. Z-tiehen kuuluu laseri-rengastien kaksi osaa 16B ja 16E sarjassa kanavan 28 kanssa. Kuvio 3 osoittaa, että mainittu Z-tie saa yhden sähköpur-kausvirran kulkemaan samaan ja vastakkaiseen suuntaan suhteessa laseriaaltoihin, mistä on seurauksena Fresnel-Fizeau-laahausefektin kumoutuminen.

Kuvion 4 esittämässä neliörengas-laserigyrodiagrammassa on kolme mahdollista purkausvirtatietä sähköisesti rinnan anodin 12 ja katodin 14 välillä. Nämä tiet ovat BCE, AGF ja ADE. Olosuhteissa, joissa C=G ja A=E, on BCE=AGF ja BCE:n sähköiset ominaisuudet ovat samat kuin AGF:n. Sen vuoksi purkaus täytyy muodostaa haluttua tietä ADE eikä ei-haluttua tietä BCE (tai AGF). Jos purkauksen alkamisen aikana vain yhdellä näistä teistä tapahtuu läpilyönti (syttyminen), voidaan tämä tie tehdä stabiiliksi ulkopuolisen etujännitepii-rin oikealla suunnittelulla. Jos läpilyönti tapahtuu sekä halutussa tiessä että ei-halutussa tiessä, silloin voidaan valita alemman resistanssin tie ulkopuolisella etujännite-piirillä edellyttäen, että mainittujen teiden resistanssit 12 80/vi ovat riittävästi erilaiset. Tämä resistanssivaatimus voidaan toteuttaa asianmukaisesti valitsemalla halutun purkaustien geometria, kuten tien poraushalkaisijät ja pituudet.

Resistanssivaatimus voi olla tyydytetty seuraavissa olosuhteissa: olkoon r painotuskerroin, joka riippuu tiesegmentin D geometriasta suhteessa sivun C geometriaan ja punnitsee D:n resistanssin suhteessa sivun C resistanssiin, kuten että C=rD. Ehto, että halutun purkaustien resistanssi on alempi kuin ei-halutun purkaustien resistanssi, on tyydytetty, jos

A+rD+E<B+C+E

koska C = A + B tai B = C - A, niin A + rD + E<C-A + C + E tai

A+rD + E<2C + E- A

jos A = E, niin

2A + rD < 2C

jos D on sellainen, että r = 1/ V~2 ja sijoittamalla r:n arvo ja D, kun D = C/r, niin 2A + 1/ V~2 ( VT C) < 2C 2A + C < 2C

mistä on seurauksena rajaehto 2A = C.

Kuvio 5 esittää kaaviollisesti vinoa tasasivuista rengas-laserigyromuotoa. Purkaustien pituus, joka tyydyttää edellä mainitun halutun ehdon, on seuraava:

A + rD + E<B + C + E jos A = E ja B = C - A, niin A+rD + A<C-A + C + E 2A + rD < 2C

ja jos r = 1/ V~2 ja D = C/r 2A + 1/ V~2 ( TT C) < 2C

tai 2A = C, joka on sama reunaehto kuin kuvion 4 mukaisen . : neliögyromuodon reunaehto. Kuvion 5 mukaisessa muodossa voidaan kuitenkin D tehdä lyhyemmäksi kuin sivu C, niin että D:n resistanssi voidaan tehdä yhtä suureksi tai pienem-

II

13 80791 mäksi kuin C:n resistanssi mikä tekee mahdolliseksi lisätä rengassegmenttien A ja E pituutta saavuttaen etuna lisää laserivahvistusta samalla kun pidetään kokonaisresistans-si, joka on pienempi kuin ei-halutun tien resistanssi. Etu-jännitepiiri purkaustietä varten on esitetty kuviossa 6A. Etujänniteverkon 90 jännitelähteenä on etujännitelähde sarjassa virtaestodiodin ja etujännitevastuksen Rj-, kanssa, joka on kytketty purkauslaitteen anodiin 12. Käynnistys-jännitelähde Vs on sarjassa kytkimen S-^ yhdellä puolella ja kytkimen toinen puoli on kytketty virranestodiodiin D2 sarjassa vastuksen Rs kanssa. Vastuksen Rg toinen puoli (napa) on myös kytketty anodiin 12. Purkauslaitteen katodi 14 on kytketty molempien jännitelähteiden ja Vg negatiiviseen napaan. Kaksi mahdollista purkaustietä A ja B on kuvattu anodin 12 ja katodin 14 välillä yhdessä näiden virtojen IA ja Ιβ kanssa. A on haluttu purkaustie ja B on ei-haluttu purkaustie. Purkausteiden geometrinen suhde on sellainen, että niiden jännite-virta-ominaiskäyrillä on kuviossa 6B kuvattu suhde.

Kun kuvion 6A mukaisessa kytkennässä ei esiinny mitään purkausta kun t < O ja olettaen, että käynnistysjännitelähde V on riittävän suuri sytyttämään (aiheuttamaan läpilyön-nin) molemmat tiet A ja B, niin hetkellä t = O, kun kytkin suljetaan, molemmat tiet syttyvät ja tuloksena olevaa purkausvirtaa syöttävät sekä Vg että V^. Molempien purkausteiden A ja B täytyy toimia samalla purkausjännitteellä V^, jolloin 1^ + Ig = + I . Kun kytkin avataan, ylläpidetään haluttu purkaustie etujännitelähteen jännitteellä ja etujännitevastuksella R^, jos tämän etujännitepiirin kuor-mitussuora leikkaa tien A jännite-virta-käyrän kuviossa 6B stabiilissa toimintapisteessä. Kuviossa 6B on esitetty kaksi jännite-virta-käyrää tielle A ja tielle B sekä kuor-mitussuorat käynnistys- ja etujänniteverkkoa varten. Resul-tanttipiirin stabiliteettivaatimuksena on, että etujännite-kuormitussuora leikkaa jännite-virta-käyrän pisteessä, jossa 14 80791 de dö .

>0, missä on jännite-virta-käyrän kaltevuus leikkauspisteessä. Kuvion 6A mukaisessa piirissä on stabiili purkaus tuloksena toimintapisteestä P kuviossa 6B, jolloin purkausvirta on "i" ja purkausjännitehäviö "e". Kuor-mitussuoran ja käyrän B välillä ei ole mitään leikkauspistettä; tämän vuoksi ei mitään purkausta voida ylläpitää tällä ei-halutulla tiellä.

Kuvion 6A esittämä etujännitelähdeverkko 90 voidaan korvata kuvion 7A esittämällä etuvirtaverkolla 92. Etuvirtaverkko on edullinen laserigyrolle sen virran säätelemiseksi, joka kulkee laseritien lävitse. Tähän etuvirtaveikkoon kuuluu jännitelähde sarjassa yhdistelmän kanssa, jossa ovat rinnan zenerdiodi Vz ja ei-ideaalinen virtalähdepiiri 94, joka toimiessaan dynaamisella alueellaan tuottaa vakiovirran I .

C 5 V rajoittaa virtalähteen maksimijännitteen varmaan (tur-z valliseen) arvoon. Diodi , joka on sarjassa virtalähteen kanssa, estää takavirran. Jännitelähde V , joka on sarjassa

S

kytkimen Si ja vastuksen R kanssa, tuottaa käynnistysjän- 3 .. nitteen purkauslaitteelle. Diodi D2 sarjassa vastuksen Rg kanssa on toinen takavirran estävä diodi ja vastus Rj-, on ·' etujännitevastus oikean toimintakuormitussuoran aikaansaa miseksi. Etuvirtalähteen 92 dynaaminen alue on sama kuin (ν^-λ^), kuten on esitetty kuviossa 7B. Virtalähteen dynaamisen alueen ulkopuolella, se on jännitteillä, jotka ovat suurempia kuin ja pienempiä kuin V2, etuvirtapiiri muistuttaa jännitelähdettä ja sen likiarvona on jännite sarjassa etujännitevastuksen R^ kanssa. Kuviossa 7A esitetty etu-; virtapiiri aikaansaa stabiilin toiminnan pisteessä Q halu tulle purkaustielle A käynnistysjakson jälkeen.

" Kuvio 8 esittää ennestään tunnettua halkaistua purkausta

Fresnel-Fizeau-laahausefektin kumoamiseksi käyttämällä kah-; ta anodia 60 ja 62 ja yhtä katodia 64. Tarkka elektroninen virtalähde tarvitaan ylläpitämään sähköpurkausvirtojen li 15 80791 ja 1^2 yhtäsuuruutta kummassakin anodi-katodi-tiessä. Näiden virtojen tulee olla tarkalleen sovitettuja lämpötilan suhteen. Myötäpäivään ja vastapäivään kulkevat valoaallot ottavat näytteen molemmista kaasuvirtauksista, jotka on aseteltu purkausvirroilla 1^ ja I £· Kos^a virrat kulkevat molemmissa anodi-katodi-teissä vastakkaisiin suuntiin kuin valoaallot, pyrkii Fresnel-Fizeau-laahausefekti yhdessä tiessä kumoamaan Fresnel-Fizeau-laahausefektin toisessa tiessä. Esillä olevalla keksinnöllä aikaansaadaan kuitenkin se parannus, että ei tarvita kahta täsmälleen sovitettua virtaa ja tarvitaan vain puolet kokonaiskatodivirrasta (IÄ2 + ylläpitämään sama optinen vahvistus rengasla- serigyrolle. Kuten on esitetty kuviossa 5, on olemassa vain yksi purkausvirtatie 16E, 28 ja 16B, Z-tie, joka on muodostettu segmenteistä A + D + E. Tästä alennetusta katodivir-rasta on seurauksena katodialueen koon pieneneminen puoleen, mikä sallii pienempien katodien rakentamisen ja sen vuoksi pienemmän laserigyro-optisen koostumuksen eli lohkon.

Kuviossa 9 on esitetty itsekompensoivaa Z-tien purkausvirtaa käyttävä suoritusmuoto, joka mahdollistaa moniakselista gyroa varten tarvittavien elektrodien lukumäärän pienentämisen. Esimerkiksi, kuten on esitetty kuviossa 9, kaksiakseli-sessa, vinossa, tasasivuisessa rengaslaserigyrossa yhdessä lohkorakenteessa 70 käytetään yhtä anodia ja yhtä katodia. Gyrolohkoon 70 sisältyy ensimmäinen laserirengas 16A - 16F ja Z-tie, jotka on esitetty kuviossa 1 sekä toinen laserirengas, jonka määrittävät rengassegmentit 80A, 80B, 80C, 80D, 80E ja 80F, jolla myös on purkausvirta-Z-tie, jonka määrittävät rengassegmentit 80B ja 80E sarjassa kanavan 82 kanssa. Laserivahvistinainetta 26, jona on helium-neon-kaa-suseos, kuten edellä jo selitettiin, on sijoitettu mainittuihin laserirengasteihin. Mainitut ensimmäisen ja toisen renkaan sisältävään lohkoon 70 sisältyy vain yksi anodi 84 ano-diporauksineen 85 ja yksi katodi 14 katodiontelon 17 sisällä ja katodiporaus 15. Lisäporaus 86 muodostaa yhdistämis- 16 »u/yi tien mainitun ensimmäisen renkaan ja toisen renkaan välille sallien yhden purkausvirran kulun anodista 84 katodiin 14 purkausteiden 85, 80E, 82, 80B, 86, 16E, 28, 16B ja 15 kautta. Mainittuun toiseen renkaaseen 80A - 80F sisältyy neljä heijastinta 72, 74, 76 ja 78 laseriaaltojen tuottamiseksi mainittuun toiseen renkaaseen. Se sisältää myös magneto-optisen laitteen (ei esitetty), kuten Faradayn ro-taattorin, kuten edellä aikaisemmin selitettiin mainitulle ensimmäiselle renkaalle. Fresnel-Fizeau-laahausefekti mainitussa toisessa renkaassa 80A - 80F kumotaan purkausvirralla, joka kulkee anodista 84 katodiin 14 vastakkaisiin suuntiin laseritiesegmenteissä 80E ja 80B suhteessa mainituissa segmenteissä kulkeviin valoaaltoihin ja mainittu purkausvirta on riittävä ylläpitämään optista vahvistusta kaksiakselisen rengaslaserigyron kummassakin renkaassa.

Yhden purkausvirtatien käyttämisen tärkeänä parannuksena moniakselisessa gyrolohkossa on se, että ainakin kaksi rengasta voidaan sisällyttää samankokoiseen gyrolohkoon kuin yksiakselisessa rengaslaserigyrossa ja samankokoista katodia voidaan käyttää kuin mainitussa yksiakselisessa laseri-gyrolohkossa.

Kuvion 10 mukaisessa suoritusmuodossa on esitetty kaksi riippumatonta, ei-planaarista laserigyrorengasta yhdessä lohkorakenteessa 100. Tämä gyrolohko on samanlainen kuin kuviossa 1 kuvattu lohko, jossa on vain yksi laserirengas 16A - 16F, paitsi että tässä tapauksessa lohkoon sisältyy toinen riippumaton laserirengas 110A - 110F, johon kuuluu neljä heijastinta 102, 104, 106, 108, anodi 114, anodipo-raus 116, katodi 118 ja katodiporaus 120. Lisäksi on mainitussa toisessa laserirenkaassa purkausvirran Z-tie anodin 114 ja katodin 118 välillä ja tähän tiehen kuuluvat rengas-segmentit 110B ja 110E sarjassa kanavan 112 kanssa. Mainittu toinen rengas on myös varustettu laserivahvistusaineella 122, jona on helium ja neon kaasujen seos kuten aikaisemmin jo selitettiin.

li 17 80791

Kuviossa 10 kuvattujen kummankin rengaslaserin monitaajuus-toiminta on sama kuin edellä aikaisemmin kuvattiin kuvion 1 mukaiselle yhdelle rengaslaserille. Vaikka kuviossa 10 ei tätä olekaan esitetty, on alan ammattimiehille tunnettu ei-resiprookkinen, magneto-optinen laite, kuten kuviossa 3 kuvattu ja edellä aikaisemmin selitetty Faraday rotaattori tarpeellinen elementti kummassakin suljetussa rengaslaseri-tiessä, jotka on esitetty kuviossa 10. Kuvion 10 esittämän, kahdella riippumattomalla rengaslaserilla varustetun gyrolohkon etuna verrattuna gyrolohkoon, jossa on kaksi rengaslaseria kytkettyinä yhteen yhtä purkausvirtaa varten ja vaatien vain yhden anodin ja katodin, kuten on esitetty kuviossa 9, on se, että redundanssilla saavutetaan suurempi luotettavuus.

Edellä on selitetty keksinnön edullinen suoritusmuoto.

Useat modifikaatiot ja muutokset ovat kuitenkin alan ammattimiehille ilmeisiä ja näitä voidaan tehdä poikkeamatta keksinnöllisestä ajatuksesta ja keksinnön puitteista. Keksinnön piiri on rajoitettu vain oheisilla patenttivaatimuksilla.

t

Claims (12)

1. Rengaslasergyroskooppi, jossa on ainakin yksi suljettu aaltojen etenemistie (16A-16F, 80A-80F, 110A-110F), jossa ..-..-..eri taajuutta olevat aallot etenevät vastakkaisiin suuntiin, sekä aktivointivälineet (12, 14) laservahvistusaineen (26, 122) aktivoimiseksi mainitussa laservahvistusaineessa tapahtuvalla sähköpurkauksella, tunnettu siitä, että aktivointivälineet on sovitettu niin, että vain yksi, vast, jokaisella ajankohdalla yksi ainoa virtatie sähköpurkaukselle on toimiva, .ja että virtatie (16B, 28, 16E; 80E, 82, 80B, 86, 16E, 28, 16B) on sovitettu niin, että yksittäinen purkausvirta suljetun, vast, kunkin suljetun etenemistien ennakolta määrätyssä osassa noudattaa kiertävää aaltoa tämän ete-nemissuunnassa, kun taas suljetun etenemistien toisessa osassa mainittu purkausvirta virtaa vastakkaiseen suuntaan mainittuun aaltoon nähden.

2. Patenttivaatimuksen 1 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että suljettu, vast, kukin suljettu aal-lonetenemistie on määritelty heijastimille (18, 20, 22, 24; 72, 74, 76, 78; 102, 104, 106, 108), jotka sijaitsevat tieosuuksien välissä.

3. Patenttivaatimuksen 1 tai 2 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että aktivointivälineet (12, 14) käsittävät anodin (12) ja katodin (14), jotka ovat sovitetut kytkettäväksi jännitelähteeseen (90; 92).

*·; 4. Jonkin patenttivaatimuksen T-3 mukainen gyroskooppi,* tunnettu siitä, että laservahvistusaine käsittää heliumin ja neonin seoksen.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 1-4 mukainen·"-gyroskooppi,. .. tunnettu siitä, että suljetun aallonetenemistien vast, kunkin suljetun aallonetenemistien yksi osa on sijoitettu ensimmäiseen tasoon ja toinen osa on sijoitettu toiseen, ensimmäistä tasoa leikkaavaan tasoon. li 19 80791

6. Patenttivaatimuksen 5 mukainen gyroskooppi, tunnet-t u siitä, että suljetun, vast, kunkin suljetun aallonete-nemistien mainittuun yhteen tasoon sijoitettu osa sekä toiseen tasoon sijoitettu osa ovat yhtä pitkät.

7. Jonkin patenttivaatimuksen 1-6 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että mainittujen suljetun aallon-etenemistien osien lisäksi purkausvirtatie käsittää kanavan, ’ vast, kullakin hetkellä yhden kanavan (28; 82; 112), joka yhdistää suljetun aallonetenemistien kaksi pistettä.

8. Patenttivaatimuksen 7 sekä vaatimuksen 5 tai 6 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että yhdistävä kanava (28, 82; 112) ulottuu suljetun etenemistien toistensa suhteen kulman muodostavien tasojen leikkausviivaa pitkin.

9. Jonkin patenttivaatimuksen 1-8 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että suljettu, vast, kukin suljettu aallonetenemistie käsittää magneto-optiset välineet (30) ei-resiprookkisen taajuudesta riippuvan esijännitteen muodostamiseksi toistensa suhteen vastakkaisiin suuntiin eteneville sähkömagneettisille aalloille.

10. Jonkin patenttivaatimuksen 1-9 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että suljettu, vast, suljetut aal-lonetenemistiet sijaitsevat yhtenäisessä kappaleessa (10; 70; 100).

11. Patenttivaatimuksen 9 tai 10 ja/tai 8 mukainen gyroskooppi, tunnettu siitä, että laservahvistusaineen (26) aktivoimiseksi virtatie käsittää katodin (14) ja anodin (12) välissä sarjassa suljetun aallonetenemistien osan (16E), joka sijaitsee mainitun tien ensiksi mainitussa tasossa, mainitun yhdistävän kanavan (28), joka ulottuu tasojen leikkausviivaa pitkin, sekä suljetun aallonetenemistien toisen osan (16B), joka sijaitsee mainitussa toisessa tasossa. 20 80791

12. Jonkin patenttivaatimuksen 1-11 mukainen gyroskooppi, joka käsittää ainakin kaksi suljettua aallonetenemistietä (16A-16F, 8OA-0OF), tunnettu kahden suljetun aallonetene-mistien välisestä kytkentäkanavasta (86), jonka kautta johdetaan laservahvietusaineen aktivoimiseksi toimivan purkaus-virran ainoa virtatie siten, että mainittu ainoa virtatie, joka on katodin ja anodin välissä, toimii aktivointia varten molemmissa suljetuissa aallonetenemisteissä (kuv. 9). Eatentkrav