NL8104642A

NL8104642A - Meetinrichting van een niet wederkerige faseverschuiving opgewekt in een ringinterferometer.

Info

Publication number: NL8104642A
Application number: NL8104642A
Authority: NL
Original assignee: Thomson Csf
Priority date: 1980-11-07
Filing date: 1981-10-13
Publication date: 1985-05-01
Also published as: GB2152207A; FR2555739A1; US5056919A; CA1208452A; IT8168396A0; DE3144162C2; IT1145124B; GB2152207B; DE3144162A1; FR2555739B1

Description

------- * Ά.

- 1 -

Meetinrichting van een niet wederkerige faseverschuiving opgewekt in een ringinterferometer.

De uitvinding heeft betrekking op een meet-inrichting van een niet wederkerige faseverschuiving opgewekt in een optische ringinterferometer.

Een dergelijke interferometer bevat in 5 hoofdzaak een lichtenergiebron in het algemeen gevormd door een laser, een optische inrichting die een golfgeleider vormt bestaande hetzij uit een zeker aantal spiegels, hetzij uit een opzichzelf gewikkelde optische vezel, een scheidings- en meng-inrichting van het licht en een detectie- en behandelingsinrich-10 ting van het gedetecteerde signaal. Twee golven die uitgaan van de seheidingsinrichting doorlopen in tegengestelde zin de optische inrichting die de golfgeleider vormt.

Een fundamentele eigenschap van de ringinter-ferometers is de wederkerigheid; iedere verstoring van de op-15 tische weg beinvloedt op gelijke wijze de twee golven.

Er bestaan evenwel twee soorten storingen die deze wederkerigheid beïnvloeden. Het gaat enerzijds om verstoringen die in een tijdsverloop dat vergelijkbaar is met de voortplantingstijd van de golven langs de optische weg van 20 de interferometer variëren en anderzijds om zogenaamde "niet- wederkerige" storingen die niet hetzelfde effect hebben op de golven al naar gelang zij zich voortplanten in de ene of in de andere richting langs de optische weg.

Zekere fysische effecten vernietigen in feite 25 de symmetrie van het medium waarin de golven zich voortplanten; met name het Faraday-effeet, of het colineaire magnetisch-optische effect waarmee een magnetisch veld een preferente oriëntatie vormt van de spin van de elektronen van een optisch materiaal, waarbij van dit effect gebruik wordt gemaakt voor het 30 verwezenlijken van de stroommeetinrichtingen en het Sagnac- effect, of het relativistische traagheidseffect, waarin de rotatie van de interferometer ten opzichte van een Gallilexsche- 8104642 *· i - verhouding de symmetrie vernietigt van de voortplantingstijd.

Van dit effect wordt gebruik gemaakt van het verwezenlijken van gyrometers.

Bij afwezigheid van "niet-wederkerige" sto-5 ringen is het faseverschil Λ. 0 tussen de twee golven die re- combineren in de scheidings- en menginrichting, na het doorlopen van de optische weg, nul. De detectie- en verwerkingsinrichting houdt rekening met signalen die het optische vermogen voorstellen van de samengestelde golf verkregen na recombinatie. Wan-10 neer men storingen met kleine amplitude wenst te meten; zoals bijvoorbeeld in het geval van gyrometers met kleine rotatiesnel-heden varieert de component tengevolge van het optreden van wederkerige storingen weinig daar de faseverschuiving dichtbij nul ligt. Het is dan nodig om kunstmatig een vaste hulp-, 15 faseverschuiving of "niet-wederkerige voor instelling" te intro duceren om de. gevoeligheid van de meting te vergroten. Maar deze werkwijze geeft uitvoeringsmoeilijkheden met name op het gebied van de stabiliteit: de instabiliteit van de inrichtingen uit de bekende stand van de techniek is in het algemeen van dezelfde 20 grootte-orde als de variaties van de te meten grootheid. Werk wijzen die beogen om een grotere stabiliteit te verkrijgen van deze inrichtingen zijn voorgesteld maar de verbetering van de gevoeligheid van de meting is kleiner dan die verwacht werd;, de maximale theoretische gevoeligheid werd bepaald door de limiet-25 berekeningen tengevolge van kwantum-ruis. Om deze nadelen op te heffen stelt, de uitvinding een werkwijze voor die het mogelijk maakt om het werkpunt van een ringinterferometer te verplaatsen..

Deze werkwijze maakt dan de verbetering mogelijk van de meet-gevoeligheid van een fysisch effect waarbij "niet-wederkerige" 30 storingen met kleine amplitude geïntroduceerd worden. Bovendien is geen grote stabiliteit van de in het spel gebrachte verschijnselen nodig.

Deze werkwijze is bijzonder geschikt toepasbaar bij interferometers met zeer lange weg, bijvoorbeeld met 35 optische vezel, gebruikt voor het meten van de rotatiewaarde of 810 4 6 4? ______ 4 4 elektrische stromen. Bovendien heeft de uitvinding ten opzichte van de andere werkwijzen uit de bekende stand van de techniek de volgende voordelen: de afgeleide van de elektronische exploitatie beperkt niet de stabiliteit van de meting waarbij 5 deze werkwijze het mogelijk maakt in het punt met maximum ge voeligheid te-werken waarbij de gebruikte nulwerkwijze de sinusvormige responsie van de interferometer lineariseert en het uitgangssignaal een frequentie heeft evenredig met de amplitude van de te meten faseverschuiving: zijn intergratie wordt be-10 werkstelligd zonder afgeleide door middel van tellen.

Het doel van de uitvinding is dus een optische interferometer bestemd om een niet-wederkerige faseverschuiving te meten ondergaan door twee in tegengestelde richting rondlopende stralingen in een ringgolfgeleider, waarbij deze inrich-15 ting een monochromatische lichtbron bevat, fotodetectiemiddelen van de interferentie van deze stralingen en optische scheidings-en mengmiddelen die rechtstreeks de einden van deze golfgeleider verbinden met deze lichtbron en met deze fotodetectiemiddelen, gekenmerkt doordat hij optische faseverschuivingsmiddelen bevat 20 met elektrische besturing die inwerkt op deze stralingen;' waarbij een oscillator een periodieke spanning levert van 1/2 U ; waarbij L de tijd is voor ieder van de stralingen om de door de ring bepaalde weg te doorlopen; een zaagtandgenerator met regelbare helling; een synchrone detector die aan één van 25 zijn ingangen deze periodieke spanning ontvangt en met zijn andere ingang verbonden aan deze fotodetectiemiddelen; waarbij de uitgang van deze synchrone detector verbonden is met de be-sturingsingang van de helling van deze zaagtandgenerator; waarbij de fase-afwijking geleverd door deze zaagtand praktisch 30 gelijk is aan 2 r ; de resonantiefrequentie van deze zaagtand onderworpen is aan de niet-wederkerige faseverschuiving; deze periodieke spanning en deze zaagtandspanning gesuperponeerd zijn aan de ingang van deze faseverschuivingsmiddelen.

De uitvinding zal aan de hand van de tekening 35 worden toegelicht.

3 ' ü i 6 k l

Figuur 1 geeft schematisch een ringinterfero- meter.

Figuur 2 is een diagram dat een "bepaald aspect geeft van de ringinterferometer.

5 Figuur 3 geeft schematisch een verbetering aan van de bekende stand van de techniek aangebracht aan de ringinterferometer.

Figuur U, 5s 6 en 7 zijn diagrammen die deze verbetering aangeven.

10 Figuur 8 geeft schematisch een inrichting aan die de werkwijze volgens de uitvinding in werking stelt.

Figuur 9j 10, 11 en 12 zijn toelichtende diagrammen van de werking van de inrichting volgens de uitvinding.

Figuur 13 en 1k zijn uitvoeringsvoorbeelden 15 van de inrichting die de werkwijze van de uitvinding in werking stellen.

Figuur 1 stelt schematisch een ringinterferometer voor volgens de bekende stand van de techniek. Een laser-bron S zendt een bundel evenwijdige stralen 1 naar een scheidings-20 inrichting gevormd door een halftransparante plaat M.

Een zeker aantal spiegels M1, M2, M3 bepalen een optische weg die de ring van de interferometer vormt. Deze ring kan verwezenlijkt worden met behulp bijvoorbeeld van een optische monomodusvezel; in feite wordt de gevoeligheid van de·· 25 meting vergroot dankzij het gebruik van een optisch lange weg.

Deze ring is teruggekoppeld naar de scheidingsinrichting M die eveneens de rol vervult van een menginrichting en zo een uit-gangstak 3 bepaalt. De ring wordt dus doorlopen door twee golven die zich in omgekeerde richting voort plant en: de ene in de 30 klokriehting (richting 2), de andere in de tegenklokrichting (richting 1). Deze twee golven recombineren op dqècheidings-plaat M. Het resultaat van deze recombinatie kan waargenomen worden in de uitgangs 3 met behulp van de detector D.Een deel van de bundels verschijnt weer in de ingangstak door de schei-35 dingsplaat M en loopt opnieuw door de filterinrichting F. Aan * * S 1 0 4 S 42 _.

w * de uitgang recombineren de twee golven op de scheidingsplaat M'. Het resultaat van deze recombinatie kan waargenomen worden in de uitgangstak met behulp van de detector D'. Wanneer men deze uitgangstak ^ beschouwt maakt het tussenin aanbrengen van 5 de filterinrichting F in de ingangstak van de interferometer, deze strikt wederkerig; hij wordt dan doorlopen door een golf opgenamen in een enkele optische modus. Deze filterinrichting is verwezenlijkt door middel van een modusfilter gevolgd door een polarisatie-inrichting. In feite doorloopt de invallende 10 bundel 1 dit filter en het deel dat daaruit komt heeft een en kele modus. Men kan dus hetzij de uitstromende bundel 3 beschouwen overeenkomend met de interferentie van de twee bundels die niet opnieuw de filtermodusinrichting hebben doorlopen, maar men kan ook het deel van de bundels beschouwen dat opnieuw op-15 treedt in de ingangstak door de half transparante plaat M. Dit deel van de bundels loopt opnieuw door de filterinrichting F.

Aan zijn uitgang zijn de twee bundels die men in de tak U zendt door middel van de half transparante plaat M' opgenomen in dezelfde modus hetgeen de interferometer ongevoelig maakt voor 20 "wederkerige" storingen. '

Wanneer /\0 het faseverschil is tussen de twee golven die zich in omgekeerde richting voortplanten in de ring en wanneer Pa het optische uitgangsvermogen is dat men kan

U

meten in de uitgangstak is bij afwezigheid van een "niet-25 wederkerige” storing A 0 nul.

Wanneer men bij wijze van niet beperkend voorbeeld een gyrometer beschouwt die een ringinterferometer in werking stelt zal een "niet-wederkerige" storing gevormd worden door het doen roteren van de gyrometer. Het faseverschil 30 ^ 0 is niet meer nul en men heeft ^ 0 waarbij de rotatiesnelheid is en oi - kj^j, waarbij k een constante is afhangend van de constructie van de gyrometer, L de lengte is van de optische weg, Λ de golflengte is van het licht uitgezonden door de laserbron S, en C de lichtsnelheid is in de ring 2.

35 Wanneer de rotatiesnelheid J>L toeneemt neemt het faseverschil 310464? __ ·* Δ 0 toe in dezelfde verhoudingen, want de coefficient ^ blijft constant. Het optische vermogen Pg volgt een cosinuswet. In feite _____ PS = P1S + P2S + 2 ^ P1SP2s' C0S ^ ^ ^ 5 waarbij P^g overeenkomt met de richting 1 en P2g met de rich ting 2. De gevoeligheid van de meting voor een geeven waarde & 0 wordt uitgedrukt door de afgeleide van Pg.

Sk , = - 2 ί Pi7~P2S Sin < & « .

d( ü 0) in ...

De gevoeligheid van de interferometer is zeer klein wanneer het faseverschil Δ. 0 weinig verschilt van nul.

Dit is het geval in een gyrometer wanneer men kleine rotatie-snelheden Si wenst te meten. De variatie van het optische vermogen in de uitgangstak wordt aangegeven door het diagram van 15 figuur 2.

Men kan beschouwen dat de termen P^g en P^g gelijk zijn. Hieruit volgt dat voor een faseverschil Δ 0 = V* het gedetecteerde vermogen minimaal is. Het gaat door een maximum P voor /\0 s 0 en voor 2“flΓ enz.

&ZB&X

20 Voor het vergroten van de gevoeligheid van de interferometer kan men een constante "niet-wederkerige" voor-instelling introduceren in de fase van de twee golven die in tegengestelde zin rondlopen om het werkpunt van de interferometer te verplaatsen.

25 In het geval van een variërende functie volgens een cosinusfunctie wordt het punt met de grootste gevoeligheid verkregen door de hoeken van (2 K + 1) "ïT /2, met K een geheel getal. Men kan dus een instelling kiezen die een variatie van de fase introduceert in iedere golf met een absolute waarde van 30 ir A maar met tegengesteld teken. Bij afwezigheid van een "niet-wederkeri^T storing wordt het faseverschil dan 01 = 0 + ÜL 0 o met h, 0 o - TT/2 waarbij men zich. dus plaatst in het punt PgQ uit figuur 2.

Zoals aangegeven in figuur 2 kan men dus in 35 de weg van de golven in de ring 2 een fasemodulator introduceren 81 0 4 6 4 2 __ die een -wederkerig effect in het spel "brengt. Deze modulator wordt zo bekrachtigd dat hij een variatie in de fase van de golf die erdoorheen loopt vormt. Deze variatie is periodiek waarbij zijn periode gelijk is aan 2X waarbij X' de tijd is 5 van het doorlopen van de golf door de ring.

Het faseverschil wordt dan k 0 — Δ. 0 + 0 (t) - 0 (t - ^ ) waarbij ieder van de golven die in tegengestelde richting rondloopt deze faseverschuiving ondergaat wanneer hij de modulator 10 doorloopt met 0(t) = 0 (t + 2T ).

Figuur k en 5 stellen het effect voor van · fasemodulatie door een symmetrische functie 0(t). Het werkpunt beschrijft de kromme PG = f( Λ 0) van figuur 2 op symmetrische 15 wijze tussen een stel extreme punten. Het eerste stel in figuur k stelt het geval voor waarbij de te meten rotatie nul is en reduceert zich tot twee waarden -If /2, + T/2; het tweede stel uit figuur k stelt het geval voor waarbij de te meten snelheid niet meer nul is en komt tot uitdrukking door een waarde Δ. 0o 20 * van het faseverschil; het wordt voorgesteld door de waarden (- T /2 + A. 0o) en (+1Γ/2 + K 0o).

Hiertoe kan men een wederkerige fasever-schuiving 0(t) met rechthoekige vorm aan één einde van de optische weg aanleggen.

25 Zoals aangegeven in figuur 7 varieert het signaal tussen twee waarden: 0o en 0o + "TT /2. Wanneer men zich in het geval van figuur ^, dat wil zeggen met JL = 0 op het voorafgaand gedetecteerde signaal plaatst zal men door de introductie van 0(t) een component 0(t) - 0(t -""C ) toevoegen met 30 0 en 0 als resulterende faseverschuivingen van de twee gol- cv c cv ven die zullen interfereren zoals aangegeven in figuur 6 en 7 (linker deel). De faseverschuiving tussen 0^ en 0CCW is dan een zuiver wederkerige faseverschuiving. 0 - 0 is dan een

C CV CV

rechthoekig signaal variërend tussen + Tf/2 en - /2.

35 Wanneer men zich daarentegen in het geval van 8104642 ' .......- - , I, |, , | n,||,| fWï figuur 5, dat vil zeggen met -TL = £* verplaatst in het voorafgaand gedetecteerde signaal zal men door de introductie van 0(t) een component Φ' ccy. - 0'cw toevoegen die niet meer gecentreerd is ten opzichte van 0. In feite voegt zich hij de voorgaande 5 wederkerige faseverschuiving een niet wederkerige fasever- schuiving Λ, 0. Ten opzichte van het voorgaande geval vaarhij = 0 heeft men 0' (t) = 0(t) +>^02 en0'(t -‘T ) = 0(t) -Δ.0/2 en zo , 10 0' (t) - 0T (t -ΊΓ ) = 0(t) - 0(t -"b ) + Δ 0.

0 en 0 zijn de resulterende fasever-cw ccw schuivingen van ieder van de twee golven die de ring doorlopen in tegengestelde richtingen. $QCV - 0CW is its een rechthoekig signaal waarvan de gemiddelde waarde met Δ. 0 verschoven is ten 15 opzichte van de tijdas.

Figuur 8 stelt een uitvoeringsvorm voor van de interferometer volgens de uitvinding waarbij fasemodulatoren zijn aangebracht in de weg van de ring van deze interferometer zodanig dat het meten van de snelheid nauwkeuriger wordt.

20 In deze figuur 8 vindt men opnieuw de interferometer van Sagnac met zijn ring 2 met het vormen van het fasemodulatiesignaal 0(t); de fasemodulator is ingeschoven in de ring 2. Het signaal dat de detector D' verlaat wordt naar een synchrone versterker gezonden bestuurd door een oscillator met frequentie 1/2 b die 25 een periodiek signaal 0^ (t) afgeeft. Men zal hierna het samen stel detector + synchrone versterker aangeven met het woord synchrone detector. Het signaal dat van deze synchrone detector uitgaat drijft de besturing van,de helling oi. van de zaagtand-generator 22 aan door middel van een regelversterker 26 van het 30 soort P.I.D. Van deze zaagtandgenerator is de uitgang 0g ge combineerd met die van de oscillator 21 0^ en drijft de fasemodulator 0 aan. Een drempeldetectielogika 22 maakt het mogelijk de zaagtand te doen terugvallen. Deze detectie wordt bewerkstelligd ten opzichte van een referentie die bijvoorbeeld een 35 spanning ^ref ^an zijn. Deze referentie kan geregeld worden, 3 1 0 4 6 4 ? i » 2 in feite heeft het gedetecteerde signaal de vorm. cos , en hij moet dus hetzelfde blijven voor en na het terugvallen van de zaagtand. Zo maakt de vergelijking van de referentiesignalen, bijvoorbeeld spanningen op deze twee ogenblikken het mogelijk 5 om met behulp van de vergelijker 25 de referentie 2k te regelen.

De meting bewerkstelligd in de detector komt overeen met een stroomsterkte I-L = IlQ cos2( Δ 0/2).

Wanneer Δ 0 de niet wederkerige faseverschui-10 ving is ondergaan door het licht dat de interferometer doorloopt zal het elektrische signaal van de detector, evenredig met de gedetecteerde optische intensiteit zijn: ICC cos2(A 0/2)

cLI

waarbij de gevoeligheid van deze meting ^ maximaal is voor 15 Δ. 0 (2k + 1)ΤΓA, maar nul is voor & 0 d K"ff en in het bijzonder om Δ.0 = 0. Onder de verschillende werkwijzen die het mogelijk maken om het werkpunt te verplaatsen naar de positie (2K + 1) iT /2 om in een lineair en gevoelig gebied te werken, maken de handigste, zoals we gezien hebben gebruik van 20 de gevoeligheid van de interferometer voor de wederkerige fase- variaties waarvan de amplitude aanzienlijk varieert gedurende de doorgangstijd in de interferometer.

Wanneer de doorgangstijd is in de interferometer en wanneer men een wederkerige f as ever schui ving 0(t) 25 aanlegt aan één einde van de optische ringweg wordt het gedetec teerde signaal: 1 cC cos2 ( Δ. 0 + 0(t) - 0 (t -"TT ) 2

Door xn de baan van de golven een fasemodu-lator te introduceren die een wederkerig effect in het spel 30 brengt: elastisch-optisch of elektrisch-optisch bijvoorbeeld kan men periodiek de fase van de golf doen variëren. Bij de uitvinding zal de storing 0(t) samengesteld zijn; gevormd uit de som van twee signalen: een periodiek signaal 0^ (t) met periode 2*V en een lineaire helling 0g(t) modulo 2 ΤΓ*; waarbij 35 L. de doorlooptijd is van een golf door de ring.

SI 0 4 6 42 | - 10 -

Zo 0( t) = 01(-t) + 02(t) met 0^(t + 2 'b ) ” 0^(t) en 0 (t) = (X t - 2f E ( ^) is het gehele deel van waarbij oi. dus de helling 5 is van de zaagtand.

Zo I cc- cos2 ( A 0 +0^ + 0.j(t) - (t -*T* )

Wanneer men tp (t) = 0^(t) - 0^?t -X") noemt, is door de periodiciteit van 0^ (t) de functie ψ (t) symmetrisch met 10 φ (t + 2) = ψ (t) en ψ (t +T) * - (t).

2

Daar cos een even functie is heeft de component van het signaal I-met periode 2ΊΓ in fase met 0^(t) een amplitude nul wanneer en alleen wanneer Λ 0 +<Λ = 0 en waarbij deze component een amplitude heeft die rekenkundig evenredig 15 is met de fout Δ0 +oCTT wanneer deze klein is. Bij het beschou wen van figuur 9 komt met een signaal 9 = A 0 + cCT' + ψ (t) aan de ingang een vervormd gedetecteerd signaal I overeen. Het zou ontleed kunnen worden in twee signalen met frequentie 1/T“ en 1 /2 X .

20 Daarentegen verschilt figuur 10 van figuur 9 doordat ü 0 +°CC = 0. Met een ingangssignaal 9 = (t) komt een gedetecteerd signaal I overeen met frequentie 1/X . Het resultaat van de synchrone detectie is dus een gemiddelde waarde nul.

25 In figuur 9 en 10 werd bij wijze van niet beperkend voorbeeld aangenomen dat ψ (t) sinusvormig is.

Men gebruikt dus de ampltude van deze component ü. 0 + t als foutsignaal om de coëfficiënten van de functie 0„ zo te regelen :c< = %!·.

^ V

30 De relaxatieffrequentie van 0o(t) is dan λ j C.

p(0g) = η- . Deze frequentie vormt het meet signaal van de niet wederkerige faseverschuiving waarbij de richting waarin de relaxatie bewerkstelligd wordt het teken van de faseverschuiving geeft * 35 Hoewel de werkwijze functioneert hoe ook de vorm en de amplitude is van de functie 0^ (t) zijn er twee voordelige vormen: de sinusvormige functie: 0.(t) = 0,81 sinus (X) V' 5 of de rechthoekige functie 0.j(t) = owanfetS. /kT, (2K + 1)*E -7 ^t) = TA .« td£(2K + 1) T, (2K + 2)~ I waarbij de amplituden van deze twee functies gekozen zijn om 10 het gedetecteerde signaal maximaal te maken en om de lineariteit voor de kleine signalen te verzekeren.

Deze twee functies kunnen gemakkelijk opgewekt worden waarbij zij vragen om een begrensde doorlaatband en hun amplitude overeenkomt met een voordelige waarde van de 15 signaalruisverhouding van de nulmethode.

In het geval van figuur 7 wordt 0^ beschouwd als een rechthoekige functie. Men heeft 0^(t), 0^(t), 0(t) = 01(t)+0o(t).0 en 0 zijn de resulterende f aseverschuivingen van ieder van de twee modi die de lus van de interferometer 20 doorlopen in tegengestelde richtingen. Deze twee signalen zijn ten opzichte van elkaar met'X, f as evers cho ven tengevolge van de wederkerige faseverschuiving: de modulator is geplaatst aan een einde van de lus. Men ziet ook de waarde h. 0 verschijnen die de niet wederkerige faseverschuiving is. Deze faseverschuiving 25 in de gyrometer is een gevolg van de rotatiesnelheid.

ψ 0 - 0 is het resulterende signaal waar- voor de detector gevoelig is. Men vindt dan de waarde 0 van de niet wederkerige faseverschuiving terug en oCC die hiervoor gedefinieerd werd.

30 In feite 0 - 0 = A $ Ψ (t).

Cvrl Cn (t) is een symmetrische functie, ook & 0 + ά*Γis de gemiddelde waarde van 0 - 0 .

I is het gedetecteerde signaal. Het verkrijgen hiervan is aangegeven in figuur 10. In feite is I evenredig met 2 2 35 cos (0 - 0 ). Wanneer men het signaal volgt dat cos voor- ccw cw 6 1 0 4 6 42 Γ - ------- - 12 - * stelt wordt I gereconstrueerd door zich te verplaatsen van A in B .... -

Het verschil in ordinaten tussen de punten A en B is 2 “If tengevolge van de amplitude 2 “\f* van de zaagtand 5 0^. En zoals reeds hiervoor werd op gemerkt Beschouwt men een signaal I met een amplitude die rekenkundig evenredig is met Δ. 0 +<λΤ waarbij hier door de tegengestelde tekens van & 0 en van«9<T de amplitude van het signaal evenredig is met - ü. 0.

Relaxatie van het signaal 0g(t) moet een 10 amplitude hebben gelijk aan 2 . In het geval waarbij de schaalfactor van de overeenkomende fasemodulator niet bekend is. of in de tijd kan afwijken is het voordelig deze relaxatie te regelen bij de waarde 2 ir.

Men gebruikt in de eerste plaats een vergelij-1 5 ker die de vergelijking met een spanning Vref overeenkomend met 2lf mogelijk maakt wanneer er gelijkheid is, waarbij een re-eyclusimpuls het terugvallen van de. zaagtand met zich meebrengt.

Men vergelijkt ook de op twee ogenblikken gedetecteerde signalen, het ene voorafgaand deze terugval van 20 de zaagtand (vergelijking met een spanning Vref-n) en de andere hieropvolgend (vertragingslijn). Wanneer er gelijkheid is is de waarde Vref juist want hij komt goed overeen met de fasever-schuiving van 2 lT . Wanneer dit niet het geval is moet men deze waarde wijzigen in +. In feite blijft de responsie van de 25 interferometer dezelfde tijdens de duur van de doorgang van de relaxatiediscontinuiteit die oneindig steil wordt verondersteld en buiten deze duur.

Wanneer men figuur 12 beschouwt is de nauwkeurige waarde 2lT geworden 2lT + , en zijn de punten C en 30 D verplaatst naar C' en D' op de kromme I = f(t).

De volgens dit principe bewerkstelligde meting heeft de volgende voordelen: hij is stabiel want hij hangt slechts af van de nauwkeurigheid waarmee de relaxatie bewerkstelligd wordt 35 en van de doorgangstijd. Hij heeft geen enkel versehuivings- 8104 6 42 verschijnsel.

Hij is gevoelig want hij wordt dus bewerkstelligd in de buurt van het punt met de maximale helling.

Hij is lineair dankzij het gebruik van de nul- 5 methode.

Tenslotte is hij gekwantificeerd waardoor de overdracht en het gebruik gemakkelijk zijn; in het bijzonder wordt de integratie zonder afgeleide eenvoudig door tellen verkregen.

10 De inrichting (wederkerige fasemodulator) die het mogelijk maakt de storing 01 (t) + 0g(t) te introduceren kan voordelig gesplitst worden in twee inrichtingen die hetzij ieder gelegen zijn aan een einde van de weg, hetzij beiden aan hetzelfde einde van deze weg zoals aangegeven in figuur 8 en waar-15 bij de een de faseverschuiving 0^(t) en de andere de fasever- schuiving 0g(t) verzekert. In feite is 0^(t) een signaal met kleine amplitude (typisch "^*A), met hoge frequentie (typisch enige 100 kHz) met smalle band (-¾ 0) en waarvan de nauwkeurigheid niet kritisch is, 0^ is daarentegen een signaal met grote ampli-20 tude (2 ), bij lage frequentie (enige Hz tot enige kHz), met brede band (DC met enige kHz) en waarvan de nauwkeurigheid die van de schaalfactor van de meting conditioneert. Aan deze met elkaar in tegenspraak zijnde kenmerken kan gemakkelijker voldaan worden in twee gescheiden inrichtingen.

25 De fasemodulatorinrichting of inrichtingen kunnen ieder gesplitst zijn in twee identieke delen die symmetrisch gelegen zijn aan twee einden van de optische weg en in oppositie bekrachtigd. Deze opstelling verzekert een aanvullende symmetrievorming van de verschijnselen die de fouten van de tweede 30 orde vermindert die afkarnen van eventuele niet lineariteiten van de modulatoren.

Bij zekere toepassingen is het voordelig om het relaxatie-ogenblik van de functie 02(t) vooruit te schuiven of te vertragen om er een gewenste fijne faserelatie aan te 35 geven met de functie 0^(t). Zolang de amplitude van de zaagtand 310 4 6 42

'-JV

i- <’ -v 2 If "blijft wordt geen enkele cumulatieve fout in de meting geïntroduceerd.

Wanneer het increment Δ 0 & t te groot is en overeenkomt met een te grove kwantificatie van fL· 0dt, waarbij 5 de ogenblikkelijke waarde van 0^( "fe) het mogelijk maakt om deze meting glad te maken. Wanneer het door de interferometer gegeven hoekincrement 1/2 ti: is heeft men

Sb. 0dt =1 (2ΊΓΤ ) + C ^2(t) 1 . In het geval waarbij men op geen enkel ogenblik de relaxatiedrempel van de meting bereikt 10 is de geïntegreerde meting op continue en lineaire wijze.gegeven door: ƒ Δ 0dt = 1 . Het digitaliseren is dan niet meer mogelijk maar de nulmethode blijft van kracht.

De vooruitgang verwezenlijkt in het verkrijgen van optische vezels met kleine verliezen maken het gebruik mo-15 gelijk van optische vezels om deze ringinterferometers te verwezen lijken zoals hiervoor gezegd werd. Dit maakt het mogelijk een zeer lange optische weg 2 te verkrijgen en ook een betere minia-tuurvorming van. de elektrische-optische elementen en modulatoren door integratie. Een uitvoeringsvoorbeeld van een ringinterfero-20 meter volgens de uitvinding is aangegeven in figuur 11. De op- zichzelf opgewikkelde vezel 12 vormt de ring 2 van de interferometer. De verschillende takken van de interferometer zijn uitgevoerd in een geïntegreerde optiek: golfgeleiders zijn verwezenlijkt door integratie in een substraat. Het substraat kan geko-25 zen worden uit de volgende materialen: lithiumniobaat of lithium- tantalaat waarin men voor het verwezenlijken van de golfgeleiders titaan of respectievelijk niobium heeft laten diffunderen.

Het substraat kan ook uit gaUiumarsenide gekozen worden waarin de golfgeleiders verwezenlijkt zijn door ionische implantatie 30 of protonische implantatie. De modulator is ontleed in twee mo dulatoren 0.j en 0g geplaatst aan twee einden van de vezel. Nauwkeuriger gezegd kunnen de modulatoren die werken bij de uitvinding profiteren van verschillende bekende elektrisch-optische effecten zoals het Pockels-effeet, het Kerr-effect, bij wijze 35 van niet beperkend voorbeeld.

8104642

Twee koppelinrichtingen verwezenlijkt met behulp van elektrodekoppels (E^, E^) en (E^, E^) vervullen de rol die hiervoor vervuld -werd door de half transparante platen in de figuur. De monomodusgolfgeleider 8 vervult de rol van 5 monomodusfilter uit figuur 1. Een polarisatie-inrichting is ver wezenlijkt door metallisatie op het oppervlak van het substraat boven de golfgeleider 8.

Men kan de twee koppelinrichtingen vervangen door optische stralingsschelders bestaande uit monomcdusgolfge-10 leiders met elkaar verbonden om Y’s te vormen waarbij deze twee Y's met elkaar verbonden zijn door een van hun takken. Dit is uitgevoerd in figuur 12. Een polarisatie-inrichting is verwezenlijkt door metallisatie op het oppervlak van het substraat boven de golfgeleider 8.

15 De belangrijkste toepassing heeft betrekking op gyrometers met optische vezel. In deze inrichtingen: δ..

o Λ O

waarbij Cq de voortplantingssnelheid van het licht is in vacuum 20 λ de golflengte van het licht is gebruikt in het vacuum, 0 . .

S het oppervlak omsloten door een winding van de optische vezel, N het aantal van deze windingen, -TLhet absolute rotatieveld waaraan de inrichting onderworpen is T N.P.n 25 ~ waarbij N en C zijn zoals voorafgaand, P de omtrek is van een

O

winding en n de equivalente indice van de gebruikte vezel.

Men vindt: ^ A. 0 _ k.s.

11 * 2 T. t " λ ·η.Ρ" 30 [02]

Deze frequentie blijkt die te zijn van de gyro-laser met dezelfde afmetingen verwezenlijkt in een materiaal met dezelfde indice en onderworpen aan hetzelfde rotatieveld.

Dit resultaat maakt het mogelijk een gyro-35 meter met optische vezel uitgevoerd volgens de uitvinding te 8 1 0 4 6 42 r^——— - 16 - substitueren voor een lasergyrometer zonder dat op enige wijze de werking van de toegepaste elektronica gewijzigd wordt.

Zoals voor de gyro-laser wordt de gyrometer getransformeerd in een gyroscoop door met behulp van teen en 5 terug tellen het uitgangssignaal te integreren waarbij iedere relaxatie overeenkomt met een increment Gk in de absolute hoek- positie van de inrichting: Λ _ λ o.n.P ®i " k.8 op typische wijze-, waarbij de gyrometer met optische vezel 10 gevormd is uit kOO m optische vezel met indice equivalent aan 1,^2, gewikkeld op een cilindervormige trommel met een diameter van 8 cm: S = 5*10 cm , P = 0,25 m, N = 1600, 'u = 1.9/US, 6 F[$2]~ 66 kHz/(recl/s) = 0,3 Hz/(deg/h), Qi = 15-10" rad = 3 boogseconden.

15 Een andere toepassing is die van magnetometers en stroomsondes met optische vezel. Deze inrichtingen gebruiken het Faraday-effect waarbij onder goede polarisatie-omstandigheden een niet-wederkerige faseverschuiving gevormd wordt van Δ.0 evenredig met het rondlopen van het magnetische veld langs de 20 optische vezel: ^ ^ A 0 cc J 3. dl..

waarbij de evenredigheidsconstante slechts afhangt van het materiaal waarin de magnetisch optische wisselwerking plaatsvindt (optische vezel). In het geval-waarbij de optische weg een 25 gesloten lus beschrijft bij uniforme omstandigheden is deze circulatie gelijk aan de totale elektrische stroom die loopt door deze gesloten omtrek:

A 0°£· Jb. dl = I

Wanneer verscheidene (Ν') van optisch gelei-30 dende windingen een wisselwerking hebben met verscheidene elek trisch geleidende windingen (M) accumuleren deze effecten:

A0<3C N.M.I

en wanneer de uitvinding toegepast wordt op de inrichting: '35 Υ*;~εΑ·-;·,·η·1 8104642 - π - waarbij Co de snelheid is ran het licht in het vacuum, L de totale lengte is van de gebruikte vezel, n zijn equivalente indiee is.

De zo verkregen inrichting is een "stroom/ 5 synchro"omzetter. De integratie van de stroomhoeveelheid wordt verkregen zoals voorafgaand door eenvoudig heen en terugtellen, waarbij het increment is: 2f .1.,¾

^ Co.H.M

De evenredigheidsconstante (afgeleid van de constante van 1 o

Verdet), is voor een optische vezel met klassieke vervaardiging typisch van de orde van: 10^ rad/(A. winding.winding). Wanneer de inrichting gevormd is uit 100 m optische vezel met een indiee equivalent 1,k2: ^ = 0,5/uS, en: F~J -3,5 Hz/(A.winding, winding), Q = 0,3 C.winding.winding.

"*5 Sen dergelijke inrichting heeft een duidelijke souplesse zoals bijvoorbeeld: het meten van stromen van enige 10.000 A: êén vezelwinding om een enkele geleider F = 3,5 Hz/A, Q = 0,3 C, toepassing: elektrolysebakken.

20

Meten van de stroom van enkele A: honderd vezelwindingen om 100 elektrisch geleidende windingen:

F = 35 kHz/A, Q = 3-10~5 C

het meten van stromen van enkele mA: 1000 vezelwindingen om 10,000 elektrisch geleidende windingen: 25 F = 35 kEz/mk, 9 = 3.1Cf° 0.

8104642

Claims

1. Optische interferometrische inrichting "bestemd om een niet wederkerige faseverschuiving te meten ondergaan door twee stralingen die in tegengestelde richtingen rond-5 lopen in een ringgolfgeleider waarbij deze inrichting een mono- chromatische lichtbron bevat, fotodetectiemiddelen van de in-• terferentie van deze stralingen en optische scheidings- en meng-inrichtingen die rechtstreeks de einden van deze golfgeleider verbinden met deze lichtbron en met deze fotodetectiemiddelen, 10 met het kenmerk, dat hij optische faseverschuivingsmiddelen (0) bevat met elektrische besturing die inwerken op deze stralingen, een oscillator (21) die een periodieke spanning afgeeft met frequentie 1/2 L , waarbij L de tijd is die ieder van de stralingen nodig heeft om de door de ring bepaalde weg te door-15 lopen, een zaagtandgenerator met regelbare helling (22), een synchrone detector die aan één van zijn ingangen deze periodieke spanning ontvangt en met zijn andere ingang verbonden is met de fotodetectiemiddelen, waarbij de uitgang van deze synchrone detector verbonden is met de besturingsingang van de helling 20 van deze zaagtandgenerator, de resonantiefrequentie van deze zaagtand geregeld wordt met de niet wederkerige faseverschuiving, en waarbij deze periodieke spanning en deze zaagtandspanning gesuperponeerd worden aan de ingang van de faseverschuivingsmiddelen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de fase-afwijking geleverd door deze zaagtand praktisch gelijk is aan 2 TT·

3. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de periodieke functie die de fase van 30 de golven moduleert kanteelvormige signalen voorstelt. . Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de periodieke functie die de fase van de golven moduleert sinusvormige of cosinusvormige signalen voorstelt . 35 5· Ihrichting volgens conclusie 1, 8 1 04 8 42 055555¾ met het kenmerk, dat de oscillator die de periodieke spanning afgeeft en de zaagtandgenerator een elektrisch-optisch effect in het spel brengen.

6. Inrichting volgens êén van de voorgaande 5 conclusies, met het kenmerk, dat hij foltermiddelen bevat die het mogelijk maken een bepaalde modus te kiezen onder de modi die zich kunnen voortplanten in de lus en op de detectie-inrich-ting kunnen aankomen. 7« Inrichting volgens conclusie 6, 10 met het kenmerk, dat de foltermiddelen een modusfilter bevat ten en een polarisatie-inrichting die slechts een enkele modus overdraagt.

8. Inrichting volgens een van de voorgaande conclusies, voor een interferometer waarvan de ring gevormd is 15 uit een optische vezel en de energiebron, waarbij de scheidings- en mengmiddelen van de golven en de detectismiddelen geheel uitgevoerd zijn in een vast medium door integratie op een substraat waarop men twee golfgeleiders verwezenlijkt heeft die met êên van hun einden respectievelijk- gekoppeld en verbonden 20 zijn met de energiebron en twee detectiemiddelen en met hun an dere einden aan de einden van de optische vezel, met het kenmerk, dat de inrichting, geintegreerd op het substraat (Sb) tenminste éên paar elektroden (E11, E12) bevat opgesteld aan weerszijden van één van de twee golfgeleiders (10) om een fasemodulator 25 (0) te vormen met elektrisch-optisch effect waarbij de elektro den het besturingssignaal (V ) ontvangen.

9. Inrichting volgens conclusie 8, met het kenmerk, dat de scheidingsmiddelen en de mengmiddelen van de golven verwezenlijkt zijn door integraties van golfge-30 leiders op het substraat en waarbij deze golfgeleiders de vorm hebben van twee Yrs met elkaar verbonden door middel van êén van hun takken.

10. Inrichting volgens één van de conclusies 8 of 9j met het kenmerk, dat het substraat (Sb) gekozen wordt 35 uit êén van de volgende materialen: lithiumniobaat of lithium- ' 10 4 6 42 - 20 - tantalaat waarin men, voor het verwezenlijken van golfgeleiders titaan of respectievelijk niobium doet diffunderen.

11. Inrichting volgens éên van de conclusies 8 of 9, met het kenmerk, dat het substraat (Sb) uit gallium- 5 arsenide bestaat waarin de golfgeleiders verwezenlijkt zijn door ionische of protonische implantatie.

12. Gyrometer, met het kenmerk, dat hij een ringinterferometerinrichting bevat zoals beschreven volgens een van de voorgaande conclusies.

13. Stroommeetinrichting, met het kenmerk, dat hij een ringinterferometerinrichting bevat zoals beschreven volgens êén van de conclusies 1-11. 11*. Inrichting in hoofdzaak zoals beschreven in de beschrijving en/of weergegeven in de tekening. 15 %0 4 6 42