NO149561B - Ringlasergyroskop. - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse vedrører et ringlaser-

gyroskop omfattende en trekantformet laserblokk som er opplagret på et understell symmetrisk om en symmetriakse og konstruert for å eliminere temperaturgradienten i området for symmetriaksen, og som understøtter to motsatt roterende stråler av monokromatisk lys langs en lukket optisk sløyfe om en dreieakse, idet der på

grunn av dreiningen om aksen forekommer en frekvensforskjell

mellom strålene, samt et strålekombinasjonsorgan som er festet

til understellet og tjener til å forskyve en av de monokromat-

iske stråler ved utgangen fra en utreflektor..

Ringlasergyroskopet innebærer et betydelig skritt i ret-

ning bort fra tidligere kjente vinkelhastighetfølerinnretninger.Ved vanlige vinkelhastighetfølere benyttes der en masse som spinner, for å

skaffe en referanseretning. Disse følere som omfatter masser som spinner, er beheftet med iboende problemer, blant annet høye drift-hastigheter som skyldes friksjon og uønskede vridninger. Ringlasergyroskopet eliminerer for det meste de uønskede egenskaper hos tidligere følere. Dets drift er helt basert på optiske og elektroniske fenomener hvor vinkelbevegelsen måles ved demasseløse lysbølger som sirkulerer i en lukket bane.

Fra US-PS 3^.373.650 og 3.467.472 er der kjent et trekantformet ringlaserresonans-hulrom avgrenset av tre hjørnespeil. Tre-kantformen er foretrukket fordi den behøver et minimalt antall speil.

En gasslaser fyller laserhulrommet. Gasslaseren som fyller hulrommet, omfatter helium <p>g neongass som opererer ved en av tre bølgelengder, enten 3,39 eller 1,15 mikrometer i det infrarøde spektralbånd ell-

er 0,6328 mikrometer i området for synlige bølgelengder. Ved hjelp av riktig valg av forholdet mellom de to neonisotoper Ne^<0> og Ne^<2>

i gassblandingen skaffes der to monokromatiske stråler. De to laser-stråler brer seg i retninger med og mot urviserne rundt det trekant-formede hulrom, idet de følger den samme lukkede bane. Uten noen dreining om innaksen er hulromslengdene for de to stråler like, og de to optiske frekvenser er de samme. Dreining i den ene eller annen retning bevirker en tilsynelatende økning i hulromslengden for den stråle som vandrer i dreieretningen, og en reduksjon for den annen stråle. Siden den lukkede optiske bane er et resonans-hulrom som

skaffer vedvarende oscillasjoner, må bølgelengden for hver stråle også øke eller avta i samme grad. Dreining av ringen i den ene eller annen retning bevirker således en frekvens-splitting,og de to frekvenser skiller seg fra hverandre ved en størrelse proporsjonal med omdreiningshastigheten. Ved utspellet blir de to stråler ført ut og kombinert ved hjelp av et utprisme for å skaffe et interferensmønster som detekteres av en fotodetektor. Fotodetektoren avføler støtfre-kvensen som skyldes overlagringen av de to signalfrekvenser. Støt-frekvenssignalet er et mål for omdreiningshastigheten.

Alle ringlasergyroskoper er følsomme overfor temperaturgradienter i området for symmetrilinjen. Slike gradienter bevirker Langmuirstrømning. Langmuirstrømningen som bevirkes ved kataforetisk pumping mellom anode-katode, vil vanligvis være utbalansert ved om-hyggelig bearbeiding av kapillarhullet som inneholder glødeutladning-en#og ved bruken av to symmetrisk anordnede glødeutladninger såvel som ved opprettholdelsen av en konstant strømutladning i de to gløde-utladninger ved hjelp av to aktive strømregulatorer.

Ringlaser-gyroskoper tilhørende den kjente teknikk er meget følsomme overfor temperaturendringer som forekommer i omgivelsene,

eller overfor temperaturendringer som skyldes oppvarming. Disse temperaturendringer bevirker i tidligere kjente ringlasergyroskoper gradienter i området for deres symmetriplan fordi gyrosko<p>blokken ifølge kjent teknikk blir utført usymmetrisk. Som et resultat opptrådte der utpulser selv om der ikke hadde forekommet noen dreining om innaksen. Det å gjøre blokken usymmetrisk var en metode som var nødvendig i-

følge den kjente teknikk for å hindre låsing ved mekanisk rysting. Låsing forekommer ved lave inndreiehastigheter når innhastigheten faller under en viss kritisk verdi eller terskelverdi.I låseområdet eksisterer der mellom innsignalet og utsignalet et ikke-lineært forhold. Utenfor låseområdet er der et hovedsakelig lineært forhold mellom inn-og utsignaler.

Til grunn for den foreliggende oppfinnelse ligger

den oppgave å skaffe et ringlasergyroskop hvor de ovenfor om-

talte ulemper er redusert til et minimum, dvs. et ringlaser-

gyroskop hvor temperaturgradientene i området for symmetriaksen er eliminert. Oppgaven løses ved et ringlasergyroskop av den innledningsvis angitte art, som ifølge oppfinnelsen er karak-teriserte ved at der til utreflektoren er festet et ytterligere organ til å forskyve nevnte stråle fra strålekombinasjonsorganet

langs en adskilt optisk bane, for derved å redusere følsomheten hos det interferometer som er tildannet mellom strålekombinasjonsorganet og organet og utreflektoren, slik at følsomheten hos det således tildannede interferometer blir gjort nøyaktig lik og motsatt følsomheten hos ringlasergyroskopet.

Således vil en endring i den omgivende temperatur

eller en endring i temperatur på grunn av oppstarting ikke be-

virke noen temperaturgradient i området for gyroskopets symme-trilinje.

Hensiktsmessig kan det~ytterligere organ omfatte en

optisk kile av glass eller glasskeramikk festet til utreflektoren. Kilen bevirker at strålene blir hoe vinkelforskjøvet. Dette

reduserer følsomheten for det interferometer som er dannet mellom kilen og retroreflektoren. En riktig valgt kilevinkel bevirker at følsomheten for dette interferometer blir lik eller motsatt den for ringlaseren når laseren beveges om sitt ytre symmetri-

punkt.

Andre hensikter, trekk og fordeler ved den fore-

liggende oppfinnelse vil komme tydligere frem fra den følgende beskriv-else tatt i forbindelse med tegningen.

Fig. 1 er et riss delvis i snitt av en tidligere kjent ringlasergyro som er følsom overfor temperaturgradienter i området for symmetrilinjen. Fig. 2 er et riss delvis i snitt av den forbedrede ringlasergyro ifølge oppfinnelsen og viser den innfestede kile. Fig. 3 er et snitt delvis i riss og viser en kjent bruk av en prisme som et strålekombinasjonsorgan. Fig. 4 viser skjematisk en annen utførelsesform for oppfinnelsen, hvor strålene overføres ved refleksjon for å forenkle lik og motsatt følsomhet. Fig. 5 viser en ytterligere utførelsesform for oppfinnelsen i likhet med fig. 4 under bruk av brytningsegenskapene i et paral-lell-epiped av glass eller glasskeramikk, hvorved strålene overføres for å forenkle lik og motsatt følsomhet hos ringlaser og interferometer.

På fig. 1 er der vist en tidligere kjent ringlasergyro med et konvensjonelt strålekombinasjonsorgan som vil bli forklart i

det følgende for å vise de organer som vanligvis benyttes for å unn-

gå låsing. Gyroen består av en trekantformet blokk 10 av glasskeramikk, hvori der er uttatt et hulrom. Hulrommet er avgrenset ved hjelp av to høyreflektorer 12 og 13 og en utreflektor 14. For å skaffe den nødvendige forsterkning i det med He og Ne fylte hulrom blir der mellom to anoder 15 og 16, og katoden 17 benyttet en plasmautladning.

Blokken 10 er mekanisk opplagret på sitt understell ved hjelp av en fjær 18. Denne fjær er festet til understellet ved bære-søylen 19. Blokken blir drevet f.eks, ved hjelp av ytre ikke viste piezoelektriske drivorganer, slik at den føres rundt punktet A i en rystebevegelse. Hensikten med denne rystebevegelse er å skaffe en innhastighet som er høy nok til å eliminere låsevirkningen. Dette ut-føres mest effektivt ved bruk av en kvasitilfeldig rystebevegelse. For nøyaktig å gjenvinne den virkelige innhastighet som ringlaseren utsettes for, er -det nødvendig å bruke et kompenserende strålekombinasjonsorgan. Dette strålekombinasjonsorgan består av en retroreflektor 20, her vist som et Porro-prisme. Et Porro-prisme er et trekantform-

et optisk element med én vinkel på 90° og to på 45°. Lys kommer inn så å si vinkelrett på hypotenusflaten og etter to interne refleksjoner forlater lyset prismen via den nevnte flate. Terningformede reflek-torer blir også benyttet. De monokromatiske CW- og CCW- lysstråler kombineres ved det halvforsølvede speil 21. Overlagring eller miksing av de to CW- og CCW- stråler detekteres ved hjelp av en fotodetektor 22. Retroreflektoren og i de fleste tilfeller fotodetektoren er festet til understellet. Ved denne realisering av CW- og CCW- strålene dannes der et interferometer. Kort sagt er et interferometer en hvilken som helst innretning ved hjelp av hvilken en lysstråle separeres i to eller flere deler ved hjelp av delvise refleksjoner, idet del-

ene etterpå gjenforenes etter å ha tilbakelagt forskjellige optiske baner. Følsomheten hos det tildannede interferometer er lik eller motsatt den for utsignalet fra ringlasergyroen når gyroskopet rystes

om punktet A som er slik valgt at det er forskutt en avstand d lik tykkelsen t av speilet 14.

Ifølge kjent teknikk blir CW- og CCW- stålene kombinert slik.at der meilom de to stråler dannes en liten konvergeringsvinkel når de når fotodetektoren 22. I så henseende dannes der et inter-ferensmønster som består av to eller flere lyse partier som er skilt fra hverandre ved mørke partier. Dette stolpeformede mønster beveger seg til den ene eller annen side, avhengig av den retning ringlaseren dreies i. Avfølingen av ringlaserens dreieretning kan således utføres ved oppdeling av fotodetektoren 22 i to partier som er anordnet på avstand fra hverandre et stykke svarende til en brøkdel (90°) av det stolpeformede mønster.

Tidligere kjent teknikk benytter en retroreflektor 20 som retroreflekterer utstrålen med en liten vinkelforskyvning,typisk noen få bueminutter, for å danne den ovennevnte konvergens for å forenkle detekteringene av omdreiningsretningen for ringlaseren. Et Porro-prisme er forholdsvis enkelt å fremstille for å gi den ønskede vinkelforskyvning.' Imidlertid er et Porro-prisme beheftet med visse ulemper når det brukes som en retroreflektor fordi det har en meget vanskelig innstillingsprosedyre. De fleste kjente ringlasergyroskoper bruker derfor en hjørneterning- retroreflektor. Det er vanskelig og dyrt å fremstille en hjørneterning- reflektor med en viss vinkelforskyvning fordi forskyvningen styres av den nøyaktige fremstilling av fire optiske flater fastsatt ved seks vinkler.

Den foreliggende oppfinnelse gjør det praktisk å bruke enten et Porro-prisme eller en hjørneterning-retroreflektor med nominelle vinkler uten en tilsiktet vinkelforskyvning. Slike retroreflektorer er adskillig enklere å fremstille og lettere å rette inn enn de som omfatter en innebygget presisjonsvinkelforskyvning. Den nødvendige vinkelkonvergens kan passende oppnås ved forskyvning av kilen 28 på fig. 2. Ved forskyvning av denne kile en halvpart av den nødvendige konvergensvinkel bevirker det halvforsølvede parti 30 på kilen at CW-strålen vinkelforskyves for å danne interferensstolpe-mønsteret på detektoren 22.

Til mekanisk justering av blokken rundt bæresøylen 19 blir der benyttet usymmetriske uttagninger 23, 24 sammen med et for-skjøvet hull 27. Denne justering er nødvendig for å unngå mekanisk forbindelse med ytre kilder for lineær vibrasjon.

Ulempen med ringlasergyroen beskrevet i forbindelse med fig. 1 går ut på at den er meget følsom overfor temperaturgradienter i området for symmetriaksen B-B vist på fig. 1. Disse gradienter end-rer gass- strømmen i hulrommet, noe som resulterer i utpulser på de tidspunkter da der ikke innføres noen innstørrelser. Denne innebygde ustabilitet fremkommer i den kjente innretning vist på fig. 1 når der opptrer en endring i den ytre temperatur. Grunnen for dette er at den usymmetriske blokk bevirker temperaturgradienter. De tidskonstanter som er involvert, er av størrelsesordnen timer.

På fig. 2 er der vist en utførelsesform for den foreliggende oppfinnelse. Konstruksjonen vist på fig. 2 er hovedsakelig den samme som vist på fig. 1. Følgelig vil bare de særtrekk som utgjør oppfinnelsen, bli beskrevet i detalj. På fig. 2 er midtpunktet av fjæren og dennes bæresøyle, som vist ved punktet A, plasert på blokk-ens senterlinje B-B. Videre er der ikke bruk for hverken usymmetriske utskjæringer eller forskutte hull gjennom blokken. En optisk kile 28

tildannet f .eks, av U.L.E. er festet til en utreflektor 29 ved hjelp av

et optisk klebemiddel. U.L.E. er Corning Glassworks varebetegnelse på ultralavekspansjon-silisiumoksyd, en titanstabilisert glasskeramikk. U.L.E. er vannklar og byr på en god termisk ekspansjonstil-passning til laserblokken. Laserblokkene blir vanligvis fremstilt av en annen heliumdifusjonsmotstandsdyktig glasskeramikk med liten termisk ekspansjon f.eks, Cervit 101 fra Owens-Illinois eller Zerodur fra Schott. En god termisk ekspansjonstilpasning . er nødvendig for å unngå optisk dobbeltbrytning på grunn av termisk bevirkede påkjen-ninger. Kilen 28 omfatter et parti 30 som er halvforsølvet. Alle optiske luftoverflater er typisk forsynt med et refleksjonsbelegg,

f.eks, et V-belegg for å redusere tap. Retroreflektoren 31 som her er vist som et Porro-prisme, men som også kan være tildannet som en hjørneterningreflektor, er også forsynt med et antirefleksjonsbelegg på hypotenusen. Det er også vanlig å vinkelforskyve retroreflektoren noe for å unngå at refleksjon fra den første overflate bevirker til-bakekobling i laserhulrommet.

Kilen 28 bevirker at CCVf-strålen blir noe vinkelforskjøv-et. Dette reduserer følsomheten av det interferometer som er dannet mellom kilen og retroreflektoren 31. Riktig valgt kilevinkel fører til at følsomheten hos dette interferometer blir lik og motsatt den for ringlaseren, når denne beveges rundt punktet A. Det er funnet at den riktige kilevinkel for den geometri og de materialer som benytt-

es, er tilnærmet 4°.

Utførelsesformen på fig. 2 tillater bruken av en symmet-

risk blokk méd symmetrisk plaserte oppheng. Fordelene ved den fore-

liggende oppfinnelse i forhold til den kjente teknikk går ut på at den iboende ustabilitet på grunn av usymmetri er eliminert, der er ikke lenger behov for utbalanserende- uttagninger og forskjøvede hull,

og utreflektoren kan plaseres på blokken i en optimal stilling for å redusere tilbakespredningen til et minimum. Dette er ikke mulig ved instrumentene ifølge den kjente teknikk (f.eks, som vist på fig„. 1) fordi utreflektoren 14 har én flekk 21 som er halvforsølvet under tidligere fremstilling. Fig. 3 viser et annet eksempel på et tidligere kjent strå-lekombinas jonsorgan som benytter et prisme 32. Det er å bemerke at den nødvendige forskyvning d er lik speiltykkelsen t. Prismen har en halvforsølvet grenseflate 33 som CW-og CCW-strålene i laseren overlagres ved hjelp av. Prismen og vanligvis detektoren 35 er fast-gjort til understellet.

Fig. 4 viser en annen utførelsesform for oppfinnelsen

og anskueliggjør en ny måte som strålene kan overføres på for å forenkle hullforskyvningen d.v.s, rysteopplagringen anordnet på symmetrilinjen B-B. Stråleoverføringen utføres ved hjelp åv et rett-linjet parellellepiped 40 som er gjort delvis reflektert)art 0<3 festet til utreflektoren 41. Det skal gjøres oppmerksom på at strålens for-lengelse (vist ved stiplede linjer) krysser den indre flate av utreflektoren.

Fig. 5 viser en ytterligere utførelsesform for oppfinnel-

sen hvor stråleomformeren utnytter brytningsegenskapene hos parallell-epipedet 50. I praksis er denne oppbygning mindre hensiktsmessig enn den som er vist på fig. 2 og 4, fordi det er vanskelig å fremstille antirefleksjonslag med gode egenskaper for s-polarisert lys ved en stor innfallsvinkel.

I det foregående er der blitt beskrevet et ringlasergyroskop med brytningsorganer som tillater en symmetrisk oppbygning, og støtteorganer for ringlaseren som eliminerer følsomheten overfor temperaturendringer. Dessuten tillater oppfinnelsen at utreflektor-

en plasseres i en optimal stilling for å minimalisere tilbakespred-ning og således oppnå bedre instrumentutbytte. Videre gir oppfinnels-

en anvisning på bruken av refleksjonsorganer til å oppnå de ovennevte hensikter.

Claims (4)

1. Ringlasergyroskop omfattende en trekantformet laserblokk som er opplagret på et understell symmetrisk om en symmetriakse og konstruert for å eliminere temperaturgradienten i området for symmetriaksen, og som understøtter to motsatt roterende stråler av monokromatisk lys langs en lukket optisk sløyfe om en dreieakse, idet der på grunn av dreiningen om aksen forekommer en frekvensforskjell mellom strålene, samt et strålekombinasjonsorgan som er festet til understellet og tjener til å forskyve en av de monokromatiske stråler ved utgangen fra en utreflektor, karakterisert ved at der til utreflektoren (29, 41) er festet et ytterligere organ (28, 40, 50) til å forskyve nevnte stråle fra strålekombinasjonsorganet (31, 33) langs en adskilt optisk bane, for derved å redusere følsomheten hos det interferometer som er tildannet mellom strålekombinasjonsorganet (31, 33) og organet (28, 40, 50) og utreflektoren (29, 41), slik at følsomheten hos det således tildannede interferometer blir gjort nøyaktig lik og motsatt følsomheten hos ringlasergyroskopet.

2. Gyroskop som angitt i krav 1, karakterisert ved at det ytterligere organ omfatter en delvis halvforsølvet kile (28) som har en vinkel på 4° og er tildannet av et materiale som har samme termiske ekspansjons-koeffisient som laserblokken, idet kilen er festet til utreflektoren (29) ved hjelp av et optisk klebemiddel.

3. Gyroskop som angitt i krav 1, karakterisert ved at det ytterligere organ for forskyvning av strålen omfatter et parallellepiped (40) med en lang og en kort side med delvis forsølvede partier festet langs dens lange side til ut-ref lektoren.

4. Gyroskop som angitt i krav 1, karakterisert ved at det ytterligere organ omfatter et parallellepiped (50) med delvis forsølvede partier festet langs den korte side.