NL8202002A

NL8202002A - Optisch stelsel.

Info

Publication number: NL8202002A
Application number: NL8202002A
Authority: NL
Original assignee: Raytheon Co
Priority date: 1981-05-20
Filing date: 1982-05-13
Publication date: 1982-12-16
Also published as: NL185687B; JPS57210681A; NL185687C; IT1147973B; SE8203079L; BE893254A; DK164412B; NO821656L; AU5703086A; NO164440B; DE3217916A1; AU572392B2; CA1201190A; JPH0117275B2; GB2099178A; GB2099178B; SE451889B; FR2506451B1; IT8248428A0; NO164440C

Description

A —jeJ

·> ? VO 3329

Optisch stelsel.

• De uitvinding heeft betrekking op een optisch stelsel en meer in het "bijzonder op het onderdrukken van dwarsmodes van hogere orde in een resonantieholte met een aantal modes van een ringlasergyroscoop.

Bij een van de meest belangrijke ringlasergyroseopen, welke tot 5 nu toe is voorgestel! en gebouwd, wordt gebruik gemaakt van vier golven, bestaande uit twee paren, die in tegengestelde richtingen worden voortgeplant. Een dergelijk stelsel vindt men in de Amerikaanse octrooi-schriften 3·7^1*657» 3.8-5^.819 en U.OO6.989. Bij dergelijke laserstel-sels wordt een circulaire polarisatie voor elk van de vier golven toege-10 past. Het paar golven of bundels, dat in rechtse richting wordt voortgeplant omvat zowel links circulair gepolariseerde (LCP) golven als rechts circulair gepolariseerde (RCP) golven evenals die golven, welke in linkse richting worden voortgeplant. De vier-frequentie- of muitίσε cillator-ringlaser gyro voorziet in eeh middel om de frequentievergren-15 deling of het grendelprobleem, dat zich bij alle gebruikelijke of twee-frequen tie-laser gyroscopen voordoet, te omgaan. Dit grendeïyerschijnsel treedt op wanneer twee lopende golven, die in tegengestelde richtingen in een resonantieholte met iets verschillende frequenties worden voort- . geplant, naar elkaar worden getrokken om te worden gecombineerd tot een 20 staande golf met een enkele frequentie. Wanneer de frequenties van de in tegengestelde richting roterende golven evenwel wat frequentie betreft voldoende van elkaar zijn gescheiden, vindt dit samentrekken niet plaats. De vier-frequentiebenadering kan worden omschreven als twee onafhankelijke lasergyro's, die met een enkele stabiele resonatorholte 25 werken en een gemeenschappelijke optische baan delen, doch. statisch in tegengestelde richting worden voorgespannen door hetzelfde passieve voorspanningselement. Bij het differentiaaluitgangssignaal van deze twee gyro's wordt de voorspanning dan opgeheven, terwijl eventuele door de rotatie opgewekte signalen bij elkaar worden opgeteld, waardoor de 30 gebruikelijke problemen, die een gevolg zijn van drift in de voorspan- 8202002 t fc - 2 - ning, worden vermeden en gevoeligheid wordt verkregen, die het dubbele is van die van een enkele twee-frequentiegyro. Omdat de voorspanning niet behoeft te worden "dithered", doorloopt de gyro nooit het grendel-punt. Derhalve zijn er geen door "dither" geïnduceerde fouten, die de 5 werking van het instrument begrenzen. In‘verband hiermede is de vier-frequentiegyro intrinsiek een instrument met geringe ruis en is de gyro bijzonder geschikt om te worden toegepast in die gevallen, welke een snel pp peil brengen van de positie of een grote resolutie vereisen.

De vier verschillende frequenties worden normaliter opgewekt on-10 der gebruik van twee verschillende optische effecten. In de eerste plaats kan een kristalpolarisatierotator worden gebruikt voor het verschaffen van een richtingsonafhankelijke polarisatie, welke veroorzaakt, dat de resonantiegolven circulair in twee richtingen worden gepolariseerd. De polarisatierotatie is een gevolg van het feit, dat de bre-15 kingsindex van het rotatiemedium voor RCP- en LCP-golven iets verschilt. Men kan ook een niet-planaire ringbaan gebruiken, welke inherent slechts circulair gepolariseerde golven ondersteunt zonder gebruik te maken van een kristalrotator. Een niet-planaire elektromagnetische golf-ringresonator is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift U.110.0^5· 20 In de tweede plaats wordt een Faraday-rotator gebruikt voor het verschaffen van een niet-reciproke polarisatierotatie en wel doordat voor in rechtse richting (cw) lopende golven een iets andere brekingsindex wordt verschaft dan’ voor in rechtse richting (ccw) lopende golven. Hierdoor oscilleren de cw- en ccw-RCP-golven met iets verschillende 25 frequenties, terwijl de cw- en ecw-LCP-golven op een soortgelijke wijze doch in tegengestelde richting worden gesplitst. Derhalve werkt een lasergyro met rechts circulair gepolariseerde golven, die in éên rota-tierichting zijn voorgespannen, en met links circulair gepolariseerde golven, die in de tegengestelde richting zijn voorgespannen, waarbij 30 de voorspanning wordt opgeheven door de twee uitgangssignalen yan elkaar af te trekken.

Bij de resonantieholte van een ringlasergyroscoop is een aantal resonantiemodes aanwezig, waarvan er vele ongewenst zijn en moeten worden onderdrukt. Bij de békende inrichtingen geschiedt het onderdrukken 35 van ongewenste modes door in de gyroblokholte een smalle ruimtelijke 8202002 J. * - 3 - opening aan te brengen, bij •voorkeur tegenover een sferische spiegel in een holte met drie spiegels. Een andere benadering is die, waarbij een koperen sehijf met een middenopening in een resonantieholte als deel van een Earaday-rotatorstelsel wordt ingébracht. Bij weer een an-5 dere benadering wordt gebruik gemaakt van de resonantieholtewandonvol-maaktheden, die inherent aanwezig zijn uit het bewerkingsproces van een lasergyroblok. Een groot bezwaar van de bekende modusdiscriminatie-of onderdrukkingsbenaderingen is, dat de opening niet instelbaar is, waardoor een fijnafstemming nadat het gyroblok eenmaal is bewerkt en 10 gemonteerd, wordt belet; bovendien treedt een verstrooiing van de onderschepte lichtgolven op, welke leidt tot een toename van de grendel-bandverschijnselen bij hoge hoekrotatiesnelheden en een variatie in de gyrovoorspanning. Deze variaties degraderen de werking van een ring-laser gyro.

15 De uitvinding heeft betrekking op een optisch stelsel voorzien van organen voor het verschaffen van een aantal elektromagnetische golven en uit diëlektrisch materiaal bestaande organen in een optische baan van het optische stelsel om de fase- en amplitudekarakteristieken van de elektromagnetische golven te wijzigen. De uit diëlektrisch rnate-20 riaal bestaande organen omvatten een diëlektrisch materiaal waarbij een of meer gebieden van dit materiaal met een elektronenbundel zijn behandeld voor het aan de golven mededelen van de fase- en amplitude-wijzigingen. Het diëlektrische materiaal omvat een aantal lagen, die elk een verschillende brekingsindex kunnen hebben; de lagen omvatten 25 afwisselende lagen van siliciumdioxyde en titaandioxyde, welke op een gesmolten silicasubstraat zijn aangebracht. De uit diëlektrisch materiaal bestaande organen kunnen ook zijn voorzien van een diëlektrische spiegel, waarbij op een deel van deze'spiegel een absorptiemateriaal is aangebracht om ongewenste resonantiemodes te onderdrukken. De dikte 30 van het absorberende materiaal neemt toe als functie van de afstand vanaf het midden van de spiegel teneinde een toename in energiedemping voor de ongewenste resonantiemodes te verschaffen.

De uitvinding heeft verder betrekking op modusdiscriminatie-organen om ongewenste resonantiemodes in een gesloten baan te onder-35 drukken, organen voor het opwekken van een aantal in tegengestelde ‘ 82 0 2 0 02 » \ i v -Inrichting "bewegende elektromagnetische golven in de gesloten haan, organen voor het mededelen van een richtingafhankelijke faseverschuiving aan de golven, welke leidt tot een frequentiesplitsing van de in tegengestelde richting bewegende golven en organen om de onderdrukkingsorga-5 nen tijdens de voortplanting van de golven in te stellen.

De uitvinding heeft voorts betrekking op een ringlasergyroscoop met een aantal frequenties, voorzien van een gesloten baan met een versterkingsmedium voor het voortplanten' van een aantal elektromagnetische golven in tegengestelde richtingen, waarbij elk van deze golven 10 een andere frequentie bezit, organen voor het opwekken van circulair gepolariseerde in tegengestelde richting bewegende golven in de gesloten baan, welke golven in paren met een eerste en een tweede polarisa-tierichting zijn gerangschikt, organen voor het mededelen van een rich-tingsafhankelijke faseverschuiving aan de golven, welke leidt tot een 15 frequentiesplitsing tussen de in tegengestelde richting-bewegende golven in elk van de paren, en organen om ongewenste resonantiemodes in de gesloten baan te onderdrukken. De circulair gepolariseerde in tegengestelde richting bewegènde golforganen omvatten een niet-planaire gesloten baan. Het laserversterkingsmedium omvat een mengsel van helium 20 en neon, dat elektrisch wordt geëxciteerd door elektroden, die een of meer anoden en kathoden omvatten.. Een Faraday-rotator deelt de rich-tingsafhankelijke faseverschuivingen aan de elektromagnetische golyen mede en de gesloten baan omvat organen' voor het absorberen van elektromagnetische golven, die door de Faraday-rotator worden gereflecteerd.

25 De uitvinding heeft voorts betrekking op een lasergyroscoop met een gesloten baan voorzien van een versterkingsmedium voor het voortplanten van een aantal elektromagnetische golven in tegengestelde richtingen, waarbij elk van deze golven een andere frequentie heeft, organen voor het opwekken van circulair gepolariseerde in tegengestel-30 de richting bewegende golven in de gesloten baan, die in paren met een eerste en tweede polarisatierichting zijn gerangschikt, organen voor het mededelen vaneen richtingsafhankelijke faseyerschuiying aan de golven, welke leidt tot de frequentiesplitsing tussen de in tegengestelde richting bewegende golven in elk van de paren, reflecterende orga-35 nen om de elektromagnetische golven om de gesloten baan te richten, 8202002" »* -5 - .r *» •waarbij tenminste een van de reflecterende organen is voorzien van instelbare modusdiseriminatieorganen voor het onderdrukken van ongewenste resonantiemodes in de gesloten baan.

Bij een uitvoeringsvorm van modusdiscriminatie in een ringlaser-5 gyroscoop omvatten de modusonderdrukkingsorganen een fasegevoelige dichtstop. Deze lichtstop omvat verder een dielektrisehe spiegel, die gedeeltelijk is behandeld met een elektronenbundel teneinde een fase-en amplitudeverandering aan een deel van de elektromagnetische golf mede te delen, die uit het behandelde deel van de dielektrisehe spiegel 10 worden gereflecteerd. De dielektrisehe spiegel omvat een aantal afwisselende lagen van een dielektrisch materiaal met een grote en kleine brekingsindex, waaronder siliciumdioxyde en titaandioxyde, welke op een gesmolten silicasubstraat zijn aangebracht.

Bij een andere uitvoeringsvorm van modusdiscriminatie in een 15 ringlasergyroscoop omvatten de modusonderdrukkingsorganen een absorbe rende lichtstop. Deze lichtstop omvat een dielektrisehe spiegel waarbij op een deel van de spiegel een absorberend materiaal is aangebracht. De spiegel is opgebouwd uit afwisselende lagen van siliciumdioxyde en titaandioxyde, welke zijn aangebracht op een gesmolten sili-20 casubstraat. De dikte van het absorberende materiaal, dat op het oppervlak van de spiegel is aangebracht, neemt toe als een functie van de afstand vanaf het midden van de spiegel, waardoor de ongewenste reso-nantiemodus aan een differentiaaldemping worden onderworpen. Licht absorberend glas is een type absorberend materiaal, dat voor een licht-25 stop geschikt is.

De uitvinding heeft verder betrekking op een werkwijze voor het onderdrukken van ongewenste resonantiemodes in een lasergyroscoop— stelsel waarbij een aantal in tegengestelde richting bewegende elektron magnetische golven in een gesloten baan wordt voortgeplant,, waarbij 30 elk van de golven een andere frequentie heeft, de golven in een verst erkingsmedium, dat voor tenminste een gedeelte van de baan van elk van de golven gemeenschappelijk is, worden versterkt, reeiproke polarisatie dispers ie ve organen en niet-reciproke polarisatiedispersieye organen voor de golven in de gesloten baan worden verschaft, en discrimina-35 tieorganen op tenminste een van een aantal reflectoren in de gesloten " 82020¾2

ï V

- 6 - baan worden verschaft voor het onderdrukken van ongewenste resonantie-modus. De stap van het verschaffen van modusdiscriminatie-organen voor het onderdrukken van de ongewenste resonantiemodes omvat of een fase-gevoelige lichtstop of een absorberende lichtstop.

5 De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder ver wijzing naar de tekening. Daarbij toont: fig. 1 een blokschema van een ringlasergyroseoopstelsel waarbij het gyroblok volgens de uitvinding perspectivisch is weergegeven; fig.2 een grafische voorstelling van de versterking-versus-fre-10 quentiekarakteristieken van het ringlasergyroscoopstelsel volgens fig.1, waarbij de relatieve posities van de frequenties van de vier golven in het stelsel zijn aangegeven; fig.3A een voorzijde-aanzicht van een reflector volgens de uitvinding van een fasegevoelige lichtstop, beschouwd vanaf de binnenzij-15 de van de gesloten baan, als weergegeven in fig. 1; fig.3B een vergrote verticale zijdelingse dwarsdoorsnede van een reflector volgens de uitvinding van,een fasegevoelige lichtstop; fig.l+A een voorzijde-aanzicht van.een reflector volgens de uitvinding van een absorberende lichtstop, beschouwd vanaf de binnenzijde 20 van de gesloten baan, als aangegeven in fig.1; fig.ikB een vergrote verticale zijdelingse dwarsdoorsnede van een reflector volgens de uitvinding van een absorberende lichtstop; fig. 5A een grafische voorstelling, die de grondmodus van de Hermite-Gauss-functie, UQ(^ ) aangeeft, die een eendimensionale inten-25 siteitsverdeling van de grondmodus voorstelt; fig.5B een grafische voorstelling van de Hermite-Gauss-functie , (£" ), welke een eendimensionale intensiteitsverdeling van de eerste buiten de as gelegen modus voorstelt; fig.5C een grafische voorstelling van de Hermite-Gauss-functie, 30 υ2(ξ ), welke een eendimensionale intensiteitsverdeling van de tweede buiten de as gelegen modus voorstelt; en fig.5D een grafische voorstelling van de Hermite-Gauss-functie, ) s welke een eendimensionale intensiteitsverdeling van de derde buiten de as gelegen modus voorstelt.

35 In fig.1 is een ringlasergyroblok 10 weergegeven. In het gyro- 8202002 > Jf - 7 - blok 10 bevinden zich een niet-planaire resonatorholte 16, welke voorziet in een gesloten baan voor het voortplanten van elektromagnetische golven, vier diëlektrische spiegels of reflectoren 13, 30, 32 en 38 om de golven langs de gesloten baan te richten, een Faraday-rotator-5 stelsel 28, dat voorziet in een niet-reciproke polarisatierotatie van de zich voortplantende golven, anoden ih en 36, een kathode 3^ en een laserversterkingsmedium 39 ia de optische holte 16 met een helium-naon-gasmengsel, waarbij de twee actieve isotropen neon 20 en neon 22 zijn. Het gasvormige versterkingsmedium 39 wordt elektrisch geëxciteerd door 10 ontladingsstromen, die tussen de anoden 1¼ en 36 en de kathode 3h worden opgewekt en wordt een licht emitterend laserversterkingsmedium of plasma, dat de resonantielasergolven in de optische holte l6 ondersteunt. Het gyroblok 10 bestaat bij voorkeur uit een materiaal met een kleine warmte-uitzettingscoëfficiënt, zoals een glas-keramisch materi-15 aal om de invloed van temperatuurveranderingen op lasergyroscoopstel-sel tot een minimum terug te brengen. Een in de handel verkrijgbaar voorkeursmateriaal is het. Cer-Vit-materiaal C-101 van Owens-Illinois Company; men kan ook gebruik maken van Zerodur van Schott Optical Company.

20 De niet-planaire ring ondersteunt inherent slechts circulair gepolariseerde golven zonder het gebruik van een kristalrotator. Door de opstelling van reflectoren 13, 30, 32 en 38 in de ringvormige baan l6 verkrijgt men een fasewisseling, welke leidt tot een wisseling van de resonantiefrequenties van de golven. Het resultaat is, als aangege-25 ven in fig.2, dat de golven met een linkse circulaire polarisatie (f^ en fg) een resonantiefrequentie zullen hebben, welke verschilt van de resonantiefrequentie van de rechts circulair gepolariseerde golven (f^ en f^). Deze niet planaire elektromagnetische golfringresonator is beschreven in het Amerikaanse octrooischrift k.110.0^5.

30 De reflector 13 is bevestigd aan een piëzoëlektr£sch element 12, dat de reflector naar binnen en naar buiten beweegt als een deel van het stelsel voor het besturen van de lengte van de trilholtebaan. De reflector 30 wordt uitsluitend gebruikt om de elektromagnetische golven in de gesloten laserbaan te reflecteren. De reflector 32 dient naast 35 het reflecteren van de gewenste elektromagnetische golven in de geslo— 8202002 - 8 - ten laserbaan l6 volgens de uitvinding als een lichtstopinricliting 33 voor het onderdrukken van ongewenste resonantiemodes in de gesloten haan. De reflector 38 is slechts gedeeltelijk reflecterend, waardoor een klein gedeelte van de golven, die het oppervlak van de reflector 5 treffen, de reflector passeren en kunnen worden gecombineerd en verwerkt voor het verschaffen van rotatie-informatie.

Het Faraday-rotatorstelsel 28 is weergegeven in een van de segmenten van de niet-planaire ringlaserbaan 16 tussen de reflectoren 30 en 32. Deze niet-reciproke magneto-optische inrichting voorziet in een 10 fasevertragingsvoorspanning voor golven met een circulaire polarisatie-richting, welke zich in rechtse zin bewegen, welke verschilt van die voor golven met een soortgelijke polarisatie, die zich in linkse richting voortbewegen. De combinatie van de reflectoren 13, 30, 32 en 38 en de Faraday-rotator 28 is zodanig, dat de ringresonator golven met 15 oscillatiefrequenties als aangegeven in fig.2 ondersteunt.. Er zijn evenwel ook andere organen mogelijk om dezelfde resultaten als met de Faraday-rotator te verkrijgen. Een van deze middelen, waarbij het Zee-man-effect wordt gebruikt, is beschreven in het Amerikaanse octrooi-schrift k.229.IO6.

20 Fotonenabsorptie-inrichtingen 2k en 26 zijn zodanig opgesteld, dat deze uit het Faraday-rotatorstelsel 28 gereflecteerde elektromagnetische golven absorberen. Dergelijke absorptie-inrichtingen zijn volledig omschreven in de Amerikaanse octrooiaanvrage Serial No.

Naast het lasergyroscoopblok 10 toont fig.1 verbindingen met 25 bijbehorende elektronische en optische las er gyros cooponderdelen., De hoogspanningsvoedingsbron 50 levert een hoge negatieve spanning aan de kathode 3^ en een hoge positieve spanning aan de piëzoëlektrische aan-drijfinrichting 52. Elektronische ontladingsbesturingsonderdelen 5^ voorzien in een regeling van de stroom uit de anoden naar de kathoden; 30 verschillende gyroblokken kunnen verschillende waarden van de kathode-stroom vereisen in afhankelijkheid van de'optische verliezen in het betreffende gyroblok.

Het weglengtebesturingsstelsel is een terugkoppelnetwerk, dat in de gyroholte l6 een consistente en optimale optische weglengte 35 onderhoudt. Het stelsel omvat de elektronische onderdelen van de detec- 8202002 - 9 - tor-voorversterker 56 van de veglengteregelaar 58 en de piëzoëlektri-sche hoogspanningsaandrijfinrichting 52. De optische weglengte wordt bestuurd door middel van een reflector 13, die op een piëzoëlektrische transducent (PZT) 12 is gemonteerd. De hoogspanningsaandrijfinrichting 5 52 voert aan de PZT 12 een spanning toe, welke van 0 tot böO Volt va rieert. Aangezien stabiele bedrijfspunten of modes bij weglengte-inter-vallen optreden, die gelijk zijn aan de helft van de lasergolflengte, zou de modus, welke het dichtst bij het midden van het dynamische gebied van de transducent is gelegen, normaliter als een permanent be-10 drijfspunt worden gekozen. De deteetor-voorversterker 56 scheidt wis- selstroomsignalen en de gelijkstroomsignalen, die uit de uitgangsoptiek 35 worden verkregen. De gelijkstroomsignalen worden voor de weglengte-regeling gebruikt. De wisselstroomsignalen zijn sinusgolven, die het gyro-uitgangssignaal voorstellen en deze worden naar de signaalproces-15 sor 60 gezonden, waar zij worden omgezet in twee digitale pulsstromen (f 1 - fg en f^- f^), waarbij voor elke periode van de ingangsspannings-golfvormen éên puls wordt opgewekt. De weglengtebesturing is volledig omschreven in het Amerikaanse octrooischrift 108.553.

De uitgangsoptiek 35 onttrekt een gedeelte van elke bundel, die 20 is de laserholte circuleert, voor het verschaffen van de twee uitgangssignalen, f^ - fg en f^ - f^, die elk het verschil in frequentie tussen golfparen met dezelfde zin van circulaire polarisatie in de holte voorstellen, als aangegeven in fig.2. De uitgangsreflector 38 bezit aan êén zijde een transmissiebekleding en aan de andere zijde een bundel-25 splitsingsbekleding. De beide bekledingen zijn van een standaardtype, „ waarbij gebruik wordt gemaakt van afwisselende lagen van TiOg en SiO^.

De bundelsplitsingsbekleding draagt de helft van de invallende intensiteit over en reflecteert de andere helft. Een retroreflectèrend prisma 37 wordt gebruikt om de twee bundels te mengen. Dit rechthoekige prisma 30 bestaat uit gesmolten kwarts en bezit verzilverde reflecterende zijden. Tussen het zilver en het gesmolten kwarts is een diëlektrische bekleding aanwezig om bij reflectie een minimale fasefout te verkrijgen.

Een niet afgebeelde kwart-golflengteplaat, gevolgd door plaatpolarisa-toren wordt gebruikt om de vier frequenties, die in elke bundel aanve-35 zig zijn, te scheiden. Tussen het retroreflecterende prisma en de kwart- 8202002 ...............

- 10 - golflengteplaat is een niet afgebeelde wig aanwezig om te beletten, dat de reflecties vanaf de*scheidingsvlakken zich weer naar de gyro-holte terugbewegen en met de in tegengestelde richting roterende bundels worden gemengd. Een fotodiodedekglas (aan een zijde antireflecte-5 rend bekleed) en een niet afgebeeld fotodiodepakket voltooien de uit-gangsoptiek 35. Tussen de verschillende scheidingsvlakken wordt :een optische cement gebruikt voor het verschaffen van een adhesie en het tot een minimum terugbrengen van reflecties. De uitgangsoptiek is volledig omschreven in het Amerikaanse octrooischrift U.lUl.651.' 10 In fig.3A is een reflector 32 afgebeeld, die als een fasegevoe- lige lichtstopinrichting werkt en voorzien is van een diëlektrische spiegel 31, waarbij een bepaald gebied van de spiegel 31 door een ë!ek- * tronenbundel uit een aftastende elektronenmicroscoop of een ander soortgelijk instrument wordt bestraald. Dit met een elektronenbundel 15 behandelde gebied 33 veroorzaakt een f aseverschuiving en een kleine amplitudereductie voor een fractie van een zich bewegende elektromagnetische golf tengevolge van verandering in de brekingsindex in het met de elektronenbundel behandelde gebied 33* De diëlektrische spiegel 31 als aangegeven in fig.SB, is opgebouwd uit afwisselende lagen van sili-20 ciumdioxyde (SiOg) 62 en titaandioxyde (T1O2) 6k op een uit gesmolten silica bestaande SiOg-substraat 66. Het behandelde gebied 33 strekt zich over het grootste gedeelte van de afwisselende lagen van SiO^ en TiOg uit. Deze fasegevoelige lichtstop voorziet in een resonantiemodus-discriminatie zonder dat aan de in tegengestelde richting roterende 25 elektromagnetische golven een meetbare verstrooiing wordt medegedeeld. De lichtstop voorziet in een kleine mate van amplitudereductie van de elektromagnetische golven doch het effect is op zichzelf niet voldoende om ongewenste modes te onderdrukken. Omdat de lichtstop evenwel ook de fase van een klein gedeelte van de ongewenste in tegengestelde 30 richting roterende golven (modes van hoge orde) in de gesloten baan l6 verandert, ondergaan zij een voldoende demping om te beletten, dat deze een laserwerking vertonen.

De bestraling van de reflector of diëlektrische spiegel 31 voor het verschaffen van een behandeld gebied met een lengte van bij benade-35 ring 1+ mm en een breedte van bij benadering 0,5 mm, dat tot een fase- 8202002 - 11 - verschuiving van een elektromagnetische golf leidt, geschiedt onder gebruik van een elektronenbundelinstrument, zoals een aftastende elektronenmicroscoop (SEM), vervaardigd door Cambridge Scientific Instrument Ltd., Cambridge, Engeland, Model S-k Stereoscan with Video Presentation 5 Unit (·νΡυ). De SEM-regelaars worden tijdens de elektronenbundelbehande-lingsprocedure als volgt ingesteld:

Versnellingsspanning (E.J = 30 kV

—8

Specimenstroom (Ig) - 2 x 10"° A

Eind-apertuurdiameter = 700 micrometer

10 Versterking = 20 X

Modus = zich herhalende enkelvoudi ge regelaftasting Λ

Kanteling = nul

De procedure voor het behandelen van een diëlektrische spiegel 15 met de SEM is als volgt: 1. Bekleed een diëlektrische spiegel met 500 2 koper voor ver- . binding met aarde.

2. Stel de SEM voor een normale specimenwaarneming bij een kan-telhoek nul in en registreer de bedrijfsafstandsaflezing.

20 3· Stel de videopresentatie-eenheid (VPU) van de SEM voor een rotatiehoek nul bij de tijdens stap 2 bepaalde bedrijfsafstand in.

1*. Plaats het gewenste gebied van de diëlektrische spiegel, dat moet worden behandeld, onder de elektronenbundel.

5· Defocusseer de elektronenbundel tot een bedrijfsafstand van 25 U0 mm.

6. Stel de VPU voor een rotatiehoek met een waarde nul bij een bedrijfsafstand van ^0 mm in» 7· Stel de modus op regelaftasting in.

8. Belicht de diëlektrische spiegel gedurende k uren met de 30 elektronenbundel.

9· Verwijder het koper van de diëlektrische spiegel in een geschikt etsmiddel, zoals ammoniumpersulfaat.

In de fig»5A - 5D vindt men Hermite-Gauss-functies, die de eendimensionale intensiteitsverdeling van de grondmodus en buiten de as 35 gelegen resonantiemodes van hogere orde voorstellen. De aanwezigheid 8 2 O" 2 0 02

f X

- 12 - van deze modes in een stelsel van het resonatortype, zoals een confo-cale resonator van het Fabrey-Perot-type of een ringlaserresonator met sferische en vlakke reflectoren met gelijke afmetingen en reflecterend vermogen is gedetailleerd aangegeven in de artikelen "Resonant 5 Modes in a Maser Interferometer" van A.G.Fox en Gintye Li en "Confocal Multimode Resonator for Millimeter Through Optical Wavelength Masers" van G.D.Boyd en J.P.Gordon in Bell System Technical Journal, maart 1961, vol. ^0, pag. ^53 - ^88 resp. pag.lt-89 - 5θ8. Een modus kan worden gedefinieerd als een veldverdeling, die zichzelf in ruimtelijke 10 verdeling en fase ofschoon niet in amplitude weergeeft wanneer de golf tussen de twee reflectoren heen en weer beweegt. In verband met verliezen, die een gevolg zijn van diffractie en reflectie, wordt het weergegeven patroon bij elke volgende passage van de resonator in intensiteit weergegeven indien geen versterkingsmedium aanwezig is.

15 In de genoemde artikelen hebben de auteurs aangegeven, dat er een stel modes bestaat, dat zichzelf over spiégels met gelijke afmetingen van de resonator weergeeft. Wanneer de invloed van düffractieverliezen, tengevolge van eindige aperturen in rekening wordt gebracht, worden de modes uniek en heeft elke modus zijn eigen karakteristieke uitsterf-snel-20 heid of Q. Wanneer een door een helium-neon-ontlading geleverde versterking aanwezig is, treedt een constante toestand op, waarbij alle modes die meer versterking dan demping bezitten, zullen oscilleren of een laserwerking zullen vertonen. De genoemde verliezen van een modus omvatten diffractieverlies en verliezen tengevolge van onvolmaakte 25 spiegels.

✓

In het geval van kleine diffractieverliezen worden de eigen functies van de modus nog steeds met een goede benadering gegeven door de volgende Hermite-Gauss-functies, als aangegeven in fig.5A - 5D, welke slechts nauwkeurig zijn voor het verliesloze geval van oneindige 30 apertuur: UL - (^1/2 Li 2Lrl/2 Η^ξ )λ~ /2 waarin = de Hermite-Gauss-veelterm van de orde L is.

De krommen in de fig.5A - 5D tonen de intensiteitsverdeling van de transversale elektrische modes van lage orde, welke zijn genormali-35 seerd voor het verschaffen van een vaste hoeveelheid van totaal bundel- 8202002 * 'm - 13 - * 2 vermogen in alle modes (Γ^ U_ (ξ ) dS- = 1). Het is van "belang erop te wijzen, dat de modes van hogere orde meer energie in de "staarten” (op een grotere afstand van het bundelmidden) "bezitten dan de modes van lagere orde. De lichtstopmodusdiscriminatie volgens de uitvinding 5 draagt voldoende energieverlies aan de modes van hogere orde bij om te beletten, dat deze een laserwerking vertonen doch draagt aan de grondmodus niet voldoende verliezen bij om te beletten, dat deze een laserwerking vertoont.

In de fig.hA en h-B is een andere absorberende lichtstop 70 afge-10 beeld. Deze wordt vervaardigd door op een diëlektrische spiegel 72 een absorberend materiaal 7^ te brengen. Het absorberende materiaal, zoals gespetterd licht absorberend glas, wordt aangebracht op bij benadering 20 afwisselende lagen van Si02 en TiO^, die op een uit gesmolten silica SiOg. bestaande substraat j6 zijn aangebracht. De dikte van 15 het absorberende materiaal 7^ varieert lineair of kwadratisch als functie van de afstand vanuit het midden van de spiegel 72 teneinde ver-strooiingseffecten tot een minimum terug te brengen en een modusonderdrukking van hogere orde door energieabsorptie te verkrijgen. Bij dit type lichtstop zal er echter steeds een type discreetscheidings vlak 20 75 aanwezig zijn tussen het begin van het absorberende materiaal (het dichtst bij het midden van de spiegel 72) en het oppervlak van de spiegel 72, welk scheiSingsvlak leidt tot een ongewenste verstrooiing van een deel van de invallende lichtenergie.

De lichtstop volgens de uitvinding betekent een significante 25 verbetering van de bekende methoden van resonantiemodus onder drukking . doordat het mogelijk is de lichtstop na de vervaardiging en de montage van éengyroblok 10 en tijdens de voortplanting van elektromagnetische golven in de gesloten baan 16 in te stellen, als aangegeven in fig.1. Deze instelling geschiedt door de positie van de reflector 32 ten op-30 zichte van de lopende golven te veranderen. Indien het oppervlak van een reflector-.vhk is, is de instelprocedure eenvoudig een procedure waarbij men de reflector over het steunvlak laat glijden en ondertussen de verliezen van de grondmodus en de modus van hogere orde aan de uitgang van de signaalprocessor 60 controleert.. Indien een reflector sfe-35 risch is (niet afgebeeld) en een absorberende lichtstop 70 omvat, moet 8202002 - Ill· - het absorberende materiaal in een radiale richting worden aangebracht en geschiedt de modusinstelling door de reflector om de sferische hartlijn daarvan te roteren. Naast de verbetering in instelvermogen wordt bij de lichtstop volgens de uitvinding de noodzaak tot een in de 5 holte aanwezig element voor het uitvoeren van een onderdrukking van ongewenste modus geëlimineerd.

8202002

Claims

1. Inrichting gekenmerkt door een optisch stelsel met organen voor het opwekken van een aantal elektromagnetische golven en uit een di-elektrisch materiaal "bestaande organen in een optische "baan van het optische stelsel om de fase- en amplitudekarakteristieken van de elektro- 5 magnetische golven te wijzigen.

2. Inrichting volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de uit een diëlektriseh materiaal "bestaande organen zijn voorzien van een di-elektrisch materiaal, waarbij een of meer gebieden van dit materiaal met een elektronenbundel is behandeld om aan de golven de fase- en 10 amplitudeveranderingen mede te delen. 3* Inrichting volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat het dielektrische materiaal een aantal lagen omvat, die elk een verschillende brekingsindex kunnen hebben. Inrichting volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat de lagen 15 afwisselende lagen van silieiumdioxyde en titaandioxyde omvatten, welke op een uit gesmolten silica bestaande substraat zijn aangebracht.

5· Inrichting volgens conclusie 1,'met het kenmerk, dat de uit een di elektrisch materiaal bestaande organen zijn voorzien van een diëlek-trische spiegel, waarbij op een deel van de spiegel een absorberend 20 materiaal is aangebracht voor het onderdrukken van ongewenste resonan-tiemodes.

6. Inrichting volgens conclusie 5» met het kenmerk, dat de dikte van het absorberende materiaal toeneemt als een functie van de afstand vanaf het midden van de spiegel teneinde een toename van de energiedem-· 25 ping van de ongewenste resonantiemodes te verschaffen.

7· Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat het op een deel van de spiegel aangebrachte absorberende materiaal een licht absorberend glas omvat.

8. Inrichting volgens conclusie 5, met het kenmerk, dat de diëlek-30 trische spiegel is voorzien van een aantal afwisselende lagen van sili-ciumdioxyde en titaandioxyde, welke lagen op een uit gesmoken silica 8202002 + V - 16 - "bestaande substraat zijn aangebracht.

9. Inrichting, gekenmerkt door organen voor het opwekken van een aantal in tegengestelde richtingen bewegende elektromagnetische golven in een gesloten baan met een versterkingsmedium, organen om aan 5 de golven een richtingsafhankelijke faseverschuiving mede te delen, welke leidt tot een frequentiesplitsing tussen de zich in tegengestelde richtingen bewegende golven, en organen om ongewenste resonantie-modes in de gesloten baan te.onderdrukken.

10. Inrichting volgens conclusie 9» met het kenmerk, dat het ver-10 sterkingsmedium een mengsel van helium en neon omvat, dat elektrisch door elektroden kan worden geëxciteerd, waarbij de anoden een of meer anoden en kathoden omvatten voor het verschaffen van een excitatie-stroom.

11. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de geslo- 15 ten baan is voorzien van een aantal reflectoren om de elektromagnetische golven langs de baan te richten.

12. Inrichting volgens conclusie 9> met het kenmerk, dat de richtingsafhankelijke frequentiesplitsingsorganen magneto-optische organen omvatten. 20 13· Inrichting volgens conclusie 9» met het kenmerk, dat de onder- drukkingsorganen zijn voorzien van organen om de onderdrukkingsorganen tijdens de voortplanting van de golven in te stellen. lU. Inrichting volgens conclusie 9, met het kenmerk, dat de onderdrukkingsorganen voor de ongewenste resonantiemodes een fasegevoelige 25 lichtstop omvatten.

15· Inrichting volgens conclusie 1^, met het kenmerk, dat de fasegevoelige lichtstop is voorzien van een diëlektrische spiegel, die gedeeltelijk met een elektronenbundel is behandeld.

16. Inrichting volgens conclusie 9» met het kenmerk, dat de onder- 30 drukkingsorganen voor de ongewenste resonantiemodes een absorberende lichtstop omvatten.

17· Inrichting volgens conclusie l6, met het kenmerk, dat.de absorberende gevoelige lichtstop een diëlektrische spiegel omvat, waarbij op een deel van de spiegel een absorberend materiaal is gebracht..

18. Inrichting gekenmerkt door een lasergyroscoop met een gesloten 8202002 ‘" - 17 - baan met een versterkingsmedium "voor het voortplanten van een aantal elektromagnetische golven in tegengestelde richtingen, waarbij elk van deze golven een andere frequentie heeft, organen voor het opwekken van circulair gepolariseerde in tegengestelde richtingen bewegende golven 5 in de gesloten baan, welke golven in paren met een eerste en tweede pblarisatierichting zijn gerangschikt, organen voor het aan de golven mededelen van een richtingsafhankelijke f aseverschuiving, welke leidt tot een frequentiesplitsing tussen in tegengestelde richtingen bewegende golven in elk van de paren, en organen om ongewenste resonantie-10 modes in de gesloten baan te onderdrukken. 19· inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat het laser-versterkingsmedium een mengsel van helium en neon omvat, dat elektrisch d oor elektroden kan worden geëxciteerd, en de elektroden zijn voorzien van een of meer anoden en kathoden voor het opwekken van een excitatie-15 stroom.

20. Inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de gesloten baan is voorzien van een aantal reflectoren om de elektromagnetische golven langs de baan te richten.

21. Inrichting volgens conclusie l8, met het kenmerk, dat de circu--20 lair gepolariseerde in tegengestelde richtingen' bewegende golforganen een niet-planaire gesloten baan met rechts circulair gepolariseerde golven en links circulair gepolariseerde golven, die zich in de baan voortplanten, omvatten.

22. Inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de rich— 25 tingsafhankelijke frequentiesplitsingsorganen magneto-optische organen omvatten .

23· Inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de onder-drukkingsorganen voor de ongewenste resonantiemodes een fasegevoelige lichtstop omvatten. 30 2k. Inrichting volgens conclusie 23, met het kenmerk, dat de fase gevoelige lichtstop is voorzien van een diëlektrische spiegel, die gedeeltelijk met een elektronenbundel is behandeld om aan een deel van de elektromagnetische golven, die door het behandelde deel van de di-elektrische spiegel worden gereflecteerd, een fase- en amplitudeveran-35 dering mede te delen. 8202002 ...... “ - 18 -

25. Inrichting volgens conclusie 2kt met het kenmerk, dat de diëlek-trische spiegel is voorzien van een aantal afwisselende lagen bestaande uit een materiaal met een grote en kleine brekingsindex waaronder siliciumdioxyde en titaandioxide, welke lagen op een uit gesmolten silica bestaande substraat zijn aangebracht.

26. Inrichting volgens conclusie 18, met het kenmerk, dat de onder- drukkingsorganen voor de ongewenste resonantiemodes een absorberende lichtstop omvatten.

27. Inrichting volgens conclusie 26, met het kenmerk, dat de absorberende gevoelige lichtstop is voorzien van een diëlektrische spiegel, 10 waarbij op een deel van de spiegel een absorberend materiaal is gebracht.

28. Inrichting volgens conclusie 27, met het kenmerk, dat de dikte van het absorberende materiaal als een functie van de afstand vanaf het midden van de spiegel toeneemt teneinde een toename van de energie- 15 demping voor de ongewenste resonantiemodes te verschaffen.

29. Inrichting volgens conclusie 27, met het kenmerk, dat het absorberende materiaal, dat op een deel van de spiegel is aangebracht, een licht absorberend glas omvat.

30. Inrichting volgens conclusie 27, met het kenmerk, dat de diëlek-20 trische spiegel is voorzien van een aantal afwisselende lagen van siliciumdioxyde en titaandioxyde, welke lagen op een uit gesmolten silica bestaande substraat zijn aangebracht.

31. Inrichting, gekenmerkt door een lasergyroscoop met een gesloten baan met een versterkingsmedium voor het voortplanten van een aantal 25 elektromagnetische golven, in tegengestelde richtingen, waarbij elk van deze golven een andere frequentie heeft, organen voor het opwekken van circulair gepolariseerde in tegengestelde richting bewegende golven in de gesloten baan, welke golven in paren met een eerste en tweede pola-risatierichting zijn gerangschikt, organen om aan de golven een rich-30 tingsafhankelijke faseverschuiving mede te delen, welke leidt tot een frequentiesplitsing tussen in tegengestelde richtingen bewegende golven in elk van de paren, reflecterende organen om de elektromagnetische golven langs de gesloten baan te,richten, waarbij tenminste ëën van de reflecterende organen is voorzien van instelbare modus discrimi- .....82 0 2 0 02 ----------------------------: 1------------------ \ - 19 - natieorganen om ongewenste resonantiemodus in de gesloten "baan te onder drukken.

32. Inrichting volgens conclusie 31, met het kenmerk, dat het laser-versterkingsmedium een mengsel van helium en neon omvat, dat elektrisch 5 door elektroden kan worden geëxciteerd, en de elektroden een of meer anoden en kathoden omvatten voor het opwekken van een excitatiestroom. 33· Inrichting volgens conclusie 31, met het kenmerk, dat de reflecterende organen een aantal diëlektrische spiegels omvatten. 3^· Inrichting volgens conclusie 31, met het kenmerk, dat de circu-10 lair gepolariseerde in tegengestelde richting bewegende golforganen zijn voorzien van een niet-planaire gesloten baan met rechts circulair gepolariseerde golven en links circulair gepolariseerde golven, die in de genoemde baan worden voortgeplant.

35· Inrichting volgens conclusie 31» met het kenmerk, dat de rich-15 tingsafhankelijke frequentiesplitsingsorganen een Paraday-rotator omvatten.

36. Inrichting volgens conclusie 31, met het kenmerk, dat de modusdis criminatieorganen voor het onderdrukken van de ongewenste resonan-tiemodes een fasegevoelige lichtstop omvatten. 20 37· Inrichting volgens conclusie 36, met het kenmerk, dat.de fase gevoelige lichtstop is voorzien van een diëlektrische spiegel, die gedeeltelijk met een elektronenbundel is behandeld om aan een deel van de elektromagnetische golven^ die uit het behandelde deel van de di-elektrische spiegel worden teruggekaatst, een fase- en amplitudeveran-25 dering mede te delen.

38. Inrichting volgens conclusie 37, met het kenmerk, dat.de diëlek^ trische spiegel is voorzien-.van een aantal afwisselende lagen yan di-elektrische materialen met een grote en kleine brekingsindex waaronder siliciumdioxyde en titaandioxyde, welke lagen op een uit gesmolten si-30 lica bestaande substraat zijn aangebracht.

39· Inrichting volgens conclusie 31, met het kenmerk, dat de modusdis criminatieorganen voor het onderdrukken van de ongewenste resqnan-tiemodes een absorberende lichtstop omvatten. ^0. Inrichting volgens conclusie 39, met het kenmerk, dat de absor-35 berende lichtstop een diëlektrische spiegel omvat, waarbij'op een deel 8202 0 02 - — - - 20 - van deze spiegel een absorberend materiaal aanwezig is. 1*1. Inrichting volgens conclusie 1*0, met het kenmerk, dat de dikte van het absorberende materiaal als een functie van de afstand vanaf het midden van de spiegel toeneemt teneinde aan de ongewenste resonan-5 tiemodus een different!aaldemping mede te delen. 1*2. Inrichting volgens conclusie 1*0, met het kenmerk, dat het absorberende materiaal, dat op een deel van de spiegel is gebracht, een licht absorberend glas omvat. 1*3. Inrichting volgens conclusie 1*0, met het kenmerk, dat de diëlek-10 trische spiegel is voorzien van een aantal afwisselende lagen van sili-ciumdioxyde en titaandioxyde, welke lagen op een uit gesmolten silica bestaande substraat zijn aangebracht. IA. Werkwijze voor het onderdrukken van ongewenste resonantiemodes in een lasergyroscoopstelsel, met het kenmerk, dat een aantal in tegen-15 gestelde richtingen bewegende elektromagnetische golven wordt voortge-plant in een gesloten baan, waarbij elk van de golven een andere frequentie bezit, de golven worden versterkt in een versterkingsmedium, dat voor tenminste een gedeelte van de baan van elk van de golven gemeenschappelijk is, wordt voorzien in reciproke polarisatie-dispersieve 20 organen en niet-reciproke polarisatie-dispersieve organen voor de golven in een gesloten baan, en wordt voorzien in discriminatieorganen bij tenminste een van een aantal reflectoren in de gesloten baan om ongewenste resonantiemodes te onderdrukken. 1*5. Werkwijze volgens conclusie hk, met het kenmerk, dat het ver-25 schaffen van modusdiscriminatieorganen voor het onderdrukken van de ongewenste resonantiemodes het verschaffen van een fasegevoelige licht-stop omvat. 1*6. Werkwijze volgens conclusie 1*5, met het kenmerk, dat de fasegevoelige lichtstop is voorzien van een diëlektrische spiegel, welke 30 gedeeltelijk met een elektronenbundel is behandeld om aan een deel van de elektromagnetische golven, die uit het behandelde deel van de di-elektrische spiegel worden teruggekaatst, een fase- en amplitudeyeran-dering mede te delen. 1*7· Werkwijze volgens conclusie 1*6, met het kenmerk, dat de diëlek-35 trische spiegel een aantal afwisselende lagen van di.ëlektrische materi- 82 0 2 0 0 2----------------------------------------- -..................... - 21 - alen met grote en kleine brekingsindex omvat, waaronder siliciumdioxyde en titaandioxide, welke lagen op een uit gesmolten silica "bestaande substraat zijn aangebracht. 1+8. Werkwijze volgens conclusie kk, met het kenmerk, dat het ver-5 schaffen van modusdiscriminatieorganen voor het onderdrukken van de ongewenste resonantiemö.des het verschaffen van een absorberende lichtst op omvat. 1*9· Werkwijze volgens conclusie 1*8, met het kenmerk, dat de absorberende lichtstop een diëlektrische spiegel omvat, waarbij op een deel 10 van de spiegel een absorberend materiaal is gebracht.

50. Werkwijze volgens conclusie 1*9, met het kenmerk, dat de dikte van het absorberende materiaal als een functie van de afstand vanaf het midden van de spiegel toeneemt teneinde een toename in energie-demping 'voor de ongewenste resonantiemodes te verschaffen. 15 51· Werkwijze volgens conclusie 1*9, met het kenmerk, dat het op een deel van de spiegel gebrachte absorberende materiaal een licht absorberend glas omvat.

52. Werkwijze volgens conclusie 1*9, met het kenmerk, dat de diëlektrische spiegel een aantal afwisselende lagen van siliciumdioxyde en 20 titaandioxide omvat, die op een uit gesmolten silica bestaande substraat zijn aangebracht. ........8202 002.......................—