NO152272B - Ringlasergyroskop - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår et ringlasergyroskop omfattende

et ringlaserlegeme med reflekterende flater som avgrenser en sluttet optisk bane, hjelpemidler for å frembringe og opprettholde minst to i motsatt retning forplantende primære resonansmodi i banen, og hjelpemidler for å bearbeide svevefrekvenssignalet mellom primærmodiene for frembringelse av signaler som representerer vinkelbevegelsen av ringlaserlegemet, om dens f ølsomhetsakse.

Ringlasergyroskop som anvender i motsatt retning utbredende laserstråler er vel kjent. Disse er anvendt for måling av rotasjon av ringlasergyroskopet ved kombinasjon av deler av de i motsatt retning forplantende modi for å utlede en svevefrekvens som representerer frekvensdifferensen mellom disse modi. Uttrykket modus anvendes i denne forbindelse på

en bølge, nemlig en i resonans forplantende bølge med strålings-energi i et ringlaserhulrom. Når ringlaserlegemet roterer om en akse med en komponent vinkelrett på ringlaserens plan, vil frekvensen av bølgene som forplantes i en retning i hulrommet øke mens frekvensen av bølgen som forplanter seg i den motsatte retning vil avta. Denne endring i frekvens mellom de i motsatt retning forplantende modi resulterer i en endring av svevefrekvensen som er proporsjonal med rotasjonshastigheten.

Ved å overvåke svevesignalet kan det utledes informasjon om rotasjonshastigheten av ringlaseren.

Hvis imidlertid ringlasergyroskopet utsettes for

meget lav rotasjonshastighet må frekvensinnlåsning overvinnes. Dette fenomen opptrer når to i motsatt retning forplantende bølger i resonanshulrommet har meget liten frekvensforskjell og trekker hverandre mot en stående bølge med en enkelt frekvens.

Resultatet av dette er at ringlasere med liten rotasjonshastighet hvor frekvensdifferensen mellom de to i motsatt retning forplantende modi er meget liten, vil disse trekkes mot hverandre slik at svevefrekvensen ikke endres og gyroskopet blir ufølsomt for små rotasjonshastigheter. Virkningen av slik innlåsning er beskrevet i detalj i Laser Applications, redigert av Monte Ross, Academic Press, Inc.,

New York, 1971, i artikkelen "The Laser Gyro" av Frederick. Aronowitz, side 133-200.

Det er vel kjent at hovedgrunnen til innlåsningen

er en kopling mellom spredningsenergi for hver av bølgene i retning mot hverandre. Denne innbyrdes påvirkning er forklart i detalj i den ovenfor nevnte artikkel, side 148-153-

I grove trekk er differensfrekvensen mellom to i motsatt retning forplantende bølger i en ringlaser bestemt ved uttrykket :

ty = a + b sin ty

hvor. ty er fasedifferensen i øyeblikket mellom de i motsatt retning forplantende bølger, a er proporsjonal med rotasjonshastigheten av ringlaseren og b er proporsjonal med størrelsen av spredningsenergien fra de to bølger. I det tilfelle hvor a er mindre enn b vil svevefrekvensen være lik null og ringlaseren befinne seg i innlåst tilstand. Av den grunn må

a gjøres større enn b.

En måte å eliminere innlåsning på er å sette ringlaserlegemet i mekaniske svingninger. Slike svingninger blir overlagret gyroskopets omdreiningshastighet, slik at største-delen av tiden vil a være større enn b, slik at virkningen av b minskes eller elimineres.

En annen måte å minske virkningen av innlåsning på er retningspåvirkning av det magnetiske felt av en Faradaycelle som er anbragt inne i ringlaserbanen. Inne i ringlaserhulrommet blir de lineært polariserte laserbølger omformet til sirkulært polarisert lys hvis vektor roterer i samme retning som viklingene i Faradaycellen. De sirkulært polariserte lysbølger påvirkes av magnetfelt når de passerer gjennom Faradaycellen og en økning eller minskning i den optiske banelengde opptrer, avhengig av retningen av feltet og den retning i hvilken bølgene forplantes. Efter å ha forlatt Faradaycellen vil det sirkulært polariserte lys bli omformet tilbake til lineært polarisert lys. Ved å svinge strømmen i Faradaycellens vikling vil magnetfeltet svinge tilsvarende og variere den optiske banelengde for de i motsatt retning forplantende bølger på ikke resiprok måte. Dette kan også anvendes for å gjøre a større enn b i det ovenfor nevnte uttrykk, slik at virkningen av innlåsningen minskes. En slik magnetisk påvirkning i en Faradaycelle er forklart i den ovenfor nevnte artikkel, side 157-159.

De ovenfor nevnte måter for å motvirke innlåsning er passive, dvs. de er ikke avhengige av aktivt laserforsterkende media. Véd disse måter er virkningen på de forplantende bølger i en retning i laserbanen lik og motsatt virkningen av bølger som forplanter seg i motsatt retning.

De to motsatt rettede resonansbølger i et ringlaserhulrom, som kombineres for å utlede rotasjonsinformasjon er betegnet primærmodi. Hensikten med oppfinnelsen er å minske innlåsningen mellom disse primærmodi.

Dette oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelpemidler for å frembringe og opprettholde minst en sekundær forplantende resonansmodus i banen for å minske innlåsningseffekten mellom primærmodiene.

I et ringlasergyroskop, hvor et elektrisk ladet gassplasma anvendes for å frembringe og forsterke primær- og sekundærmodiene, og hvor sekundærmodiene er koplet med primærmodiene for å minske innlåsningseffekten mellom primærmodiene, er det ifølge oppfinnelsen anordnet hjelpemidler for å regulere lengde av den optiske bane slik at minst to svakere i motsatt retning forplantende sekundærmodi og minst to sterkere i motsatt retning forplantende primærmodi, frembringes og forsterkes i gassplasmaet.

Ved et ringlasergyroskop hvor det frembringes minst

en sekundærmodus som minsker innlåsningsvirkningen mellom primærmodiene, er det ifølge oppfinnelsen utenfor ringlaserlegemet anordnet kilde for en sekundærmodus med frekvens forskjellig fra primærmodiene og en innretning for innføring av den eller de sekundære modi i banen.

Ved et ringlasergyroskop hvor det er anordnet hjelpemidler for å frembringe og opprettholde minst en sekundærmodus og omfatter en innretning for å ta ut en del av minst en av primærmodiene fra den sluttede bane, blir det ifølge oppfinnelsen i banen anordnet en innretning for å endre svingefrekvensen av den uttatte del, og det er anordnet en innretning for å inn-føre den uttatte del med endret frekvens i banen igjen.

Fortrinnsvis kan det være anordnet hjelpemidler for å endre lengden av den optiske bane og dermed frekvensen av primærmodiene .

Oppfinnelsen skal nedenfor forklares nærmere under henvisning til tegningene.

Figur 1 viser skjematisk en første utførelsesform av

et ringlasergyroskop ifølge oppfinnelsen med to sterke primærmodi og to svakere sekundærmodi.

Figur 2 og 3 viser hvorledes den optiske frekvens for resonanshulrommet kan avstemmes, slik at resonansbølgene arbeider som ønsket. Figur 4 viser hvorledes forstemning av laserhulrommet muliggjør at svakere sekundærmodi koples til sterkere primærmodi for å minske innlåsning mellom to i motsatt retning for-plantede primærmodi. Figur 5 viser på samme måte som figur 1 en andre ut-førelsesform av et ringlasergyroskop ifølge oppfinnelsen, hvor sekundærmodi frembringes av en utvendig laserkilde og innføres i resonanshulrommet ved kopling til motsatt rettede primærmodi. Figur 6 viser på samme måte som figur 1 og 5 en tredje utførelsesform av et ringlasergyroskop ifølge oppfinnelsen hvor en del av en første modus trekkes ut fra ringlaserresonans- • hulrommet, dopplerforskyvesi frekvens og så gjeninnføres tilbake til hulrommet for å koples med en primærmodus.

Som nevnt ovenfor er differens frekvensen eller svevefrekvensen som resultat av kombineringen av to primære i motsatt retning forplantende resonansmodi i et ringlaserhulrom bestemt ved uttrykket:

ty = a + b sin ty

hvor ty er øyeblikksfaseforskjellen mellom de i motsatt retning forplantende bølger, a er proporsjonal med rotasjonshastigheten for ringlasergyroskopet, og b er proporsjonal med størrelsen av spredningsenergien. Det siste ledd på høyre side b sin ty representerer koplinger som er resultatet av spredningen. For liten rotasjonshastighet er a mindre enn b og ty går mot null.

I dette tilfellet vil ringlasergyroskopet bli innlåst og gir ikke noe utgangssignal som representerer den virkelige rotasjon. Ved små, men endelige rotasjonshastigheter vil ikke ringlaseren funksjonere riktig som et gyroskop.

Ved fysisk å utsette ringlaseren for et eller annet, slik at svevefrekvensen opptrer sinusformet vil en ekstra tids-variasjon påtrykkes og uttrykket ovenfor vil endres til:

hvor c representerer amplituden og co frekvensen av den ekstra påtrykte fysiske påvirkning av differensfrekvensen ty.

Ved å løse det sistnevnte uttrykk for ty (t) oppnås en god tilnærmelse ved uttrykket:

Hvis verdiene for c og co velges slik at Jq er null, vil uttrykket reduseres til:

ty (t) = at

og innlåsningsdelen i uttrykket for den opprinnelige differens-frekvens er eliminert. Nedenfor er en slik ekstra påvirkning av differensfrekvensen oppnådd ved å innføre ekstra modi eller frekvenser i ringlaserhulrommet for kopling med de primære resonansmodi. Virkningen av slik ekstra påvirkning eller sekundærmodi fremgår av uttrykket c cos cot, som forklart ovenfor. Ved å regulere amplitude og frekvens av disse sekundærmodi kan c og co fjerne innlåsningsvirkningen i ringlasergyroen.

Figur 1 viser et ringlasergyroskop 2. Laserlegemet 4 består av kvarts og er et lukket hulrom 6, som er fylt med 90% helium og 10% neon. To anoder 8 og 10 og to katoder 12 og lH

er anbragt i hulrommet 6. Gassblandingen i hulrommet mellom katoden 12 og anoden 8 og katoden lH og anoden 10 lades elektrisk

for å tilveiebringe et gassplasma som tjener som forsterkende medium for frembringelse og forsterkning av resonanslasermodi inne i hulrommet 6. Tre dielektriske speil 16,18 og 20 er anbragt i de tre hjørner av det triangelformede resonanshulrom 6. Disse speil omfatter flere sjikt av dielektrisk belegg som er vel kjent for fagmannen.

Speilet 20 er delvis reflekterende og tillater at

en liten prosentdel av ringlaserbølgene som treffer speilet passerer dette. Deler av to primære i motsatt retning forplantende modi i hulrommet 6 langs en bane 22 passerer speilet og kombineres i et prisme i en kombinasjons- og fotodetektorenhet 23 for å danne et opprevet mønster. Dette opp-revede mønster mottas av de fotofølsomme detektorer og signalene som frembringes blir via ledninger 24 tilført en logisk krets 26 som bestemmer rotasjonshastighet og -retning. En mer detaljert forklaring på kombineringen av bølgene og behandlingen av informasjonen finnes i den ovenfor nevnte artikkel, side 139-141.

Laserstrålefrekvensen styres ved å endre lengden av resonanshulrommet, dvs. avstanden som bølgen gjennomløper i en hel runde av banen 22. Det er vanligvis ønsket å justere lengden av hulrommet slik at modiene er i resonans i hulrommet på midten av kurven som vist på figur 2. For å justere lengden av hulrommet er det anordnet et speil 16 i laserlegemet 4 på en slik måte at det kan beveges ut og inn. På baksiden av speilet 16 er anordnet en stabel med piezoelektriske elementer. Hulrommets lengde innstilles ved å la speilet 16 svinge ved påtrykning av en vekselspenning på de piezoelektriske elementer 28. Når speilet 16 svinges ved en gitt frekvens vil signal-styrken fra fotodetektorenheten 23 variere tilsvarende o.g til-føres via ledningen 30 til en styrekrets 32 for lengden av hulrommet. Denne styrekrets fastslår hvor resonansmodiene i hulrommet befinner seg på forsterkningskurven og justerer hulrommets lengde ved å øke eller minske en elektrisk likespenning som tilføres de piezoelektriske elementer 28 via ledningen 34. En presis forklaring av en slik krets finnes i NASA Report Nr. CR-I3226I, "Design and Development of the AA1300Ab02 Laser Gyro," av T. J. Podgorski og D.N. Thymian, 1973, side 10 og 11. For den utførelse som er vist på figur 1 blir påvirk-ningen av differensfrekvensen mellom primærmodiene i hulrommet oppnådd ved å forstemme hulrommets lengde. På figur 2 er for eksempel vist forsterkningskurven 44 for en laser, dvs. styrkefordelingen av lyset som utgår fra laserplasmaet som funksjon av den optiske frekvens for det utsendte lys. Som vel kjent kan bare visse frekvenser bringes til resonans, dvs. bli forsterket i ringlaserhulrommet. Prekvensavstanden mellom disse resonansmodi er bestemt av lysets hastighet C dividert med banelengden L eller avstanden som bølgene til-bakelegger i en hel runde av laserbanen.

Linjene 36 og 38 på figur 2 representerer modus med urviseren respektiv mot urviseren ved en gitt frekvens når

ringlaserhulrommet er avstemt til midt på forsterkningskurven 44. Linjene 40, 42 og linjene 46,48 representerer de nærmeste modi i optisk frekvens som kan opptre i hulrommet unntatt ved manglende forsterkningsmedium som vil forsterke disse andre modi i hulrommet 6. Styrkenivået som er representert ved den strekede linje 50 betegner en terskel over hvilken laser-forsterkningsmediet vil forsterke resonansbølgene inne i hulrommet .

Ved utførelsen på figur 1 blir forstemningen av lengdene av hulrommet oppnådd ved regulering av likespennings-komponenten i det elektriske signal som påtrykkes de piezoelektriske elementer 28, slik at hulrommets lengde forstemmes og bevirker at modiene 36 og 38 beveges bort fra midten av forsterkningskurven. Tilstrekkelig forstemning kan bevirke at sekundærresonansbølger som svinger ved te.rskelen kan inn-føres i resonanshulrommet 6. Figur 3 viser hvorledes hulrommets lengde kan innstilles slik at resonansmodi 36,38 beveges bort fra midten av forsterkningskurven 44 tilstrekkelig til at sekundærbølger 40,42 kan svinge såvidt over terskelen på forsterkningskurven.

Sekundærmodus 40, som forplantes i hulrommet med urviseren vil nå bli koplet med den sterkere primærmodus 36, som forplanter seg i hulrommet 6 godt over terskelen og i samme retning. Dette vil bevirke en spredning i uttrykket i dif f erensfrekvensuttrykket. På samme måte vil sekundærmodus 42 mot urviseren kombineres med primærmodus 38 for å bevirke spredning. Virkningen av modiene 40 og 42 er bestemt av uttrykket c cos tot i uttrykket ovenfor. Ved justering av styrken langs forsterkningskurven av modiene 40 og 42 såvel som frekvensen med hvilken de svinger, kan c og to i uttrykket reguleres for å fjerne virkningen av innlåsning som forklart ovenfor.

Figur 4 viser grafisk virkningen av forstemningen av inn 1 å sningsfrekvensen mellom primærmodiene 36 og 38 i dette tilfelle. Forstemningen skjer ved endring av banelengden i ringlaseren, slik at den optiske frekvens av primærmodiene forskyves bort fra midten av forsterkningskurven. Av figur 4 fremgår at innlåsning praktisk talt er eliminert i det tilfelle hvor hulrommets lengde forstemmes, slik at primærmodiene på 150 MHz forskyves bort fra midten av forsterkningskurven.

Også ved utførelsen på figur 5 inneholder hulrommet 52 90% helium og 10% neon, som lades elektrisk mellom anodene 54 og katodene 56 til et plasma som tjener som laserforsterk-ningsmedium. Delene av de to primære i motsatt retning forplantende bølger i hulrommet passerer et delvis transparent dielektrisk speil 58 og treffer en fotodetektorenhet 60 hvis utgangssignaler overføres til en logisk krets 62. Et veksel-spenningssignal frembringes i en styrekrets 66 og leveres til en stabel av piezoelektriske elementer 68 som styrer et vibrerende speil 70 og derved endrer lengden av hulrommet i gyroskopet. Styrkesignaler fra fotodetektoren 60 tilføres via ledningen 64 til styrekretsen 66. Variasjoner i styrke-signalet som følge av svingningene av de piezoelektriske elementer 68 bearbeides i styrekretsen 66. Likespennings-komponenten i signalet som tilføres de piezoelektriske elementer via ledningen 72 justeres til optimal hulromslengde for maksimal styrke av de i motsatte retninger forplantende bølger. I motsetning til utførelsen på figur 1 justeres hulrommets lengde slik at resonansmodiene opptrer hovedsakelig i midten av forsterkningskurven.

Ved utførelsen på figur 5 innføres forstyrrende sekun-dærbølger ved frekvenser som avviker fra primærresonansmodienes frekvens i hulrommet fra en ytre kilde. Den ytre kilde er i dette tilfelle en tomodus lineær laser 74. To forskjellige modi frembringes i den lineære laser 74 som spres i et element 76. Slike elementer er vel kjente og kan omfatte et bøynings-gitter, hvor forskjellige frekvenser avbøyes i forskjellig grad. Etter passering av elementet 76 vil den ene sekundærmodus 78 avbøyes mot et dielektrisk speil 80, hvor det reflek-teres mot et delvis transparent speil 82. Ved passering av speilet 82 vil denne modus 78 tre inn i ringlaserhulrommet 52 med urviseren og bli koplet med primærmodusen med urviseren som er frembragt i hulrommet.

Den andre sekundærmodus 84 avbøyes i elementet 76 mot

et speil 86 og gjennom speilet 82 og trer inn i hulrommet 52

mot urviseren og koples med primærmodusen som forplantes mot urviseren.

Sekundærmodiene med forstyrrende virkning innføres i hulrommet med en avvikende frekvens ifølge uttrykket c cos tot. Dif ferensfrekvensen mellom sekundærmodiene 78 og 84 er tu. Amplitudedelen c er proporsjonal med amplituden av signalene

78 og 84 og størrelsen av differensfrekvensene mellom sekundærmodiene og primærmodiene i hulrommet. c og to kan derfor reguleres for å fjerne innlåsning ved å regulere passerbarheten av speilet 82 og frekvensen og amplituden av signalene som frembringes i den lineære laser 74. Figur 6 viser en tredje utførelsésform av et ringlasergyroskop ifølge oppfinnelsen med et triangelformet ringlaserlegeme, slik som anvendt ved utførelsene på figur 1 og 5. Hulrommets lengde styres også her av stabelen med piezoelektriske elementer for maksimal styrke av utgangssignalet fra gyroskopet. De to i motsatt retning forplantende modi 22 har sine frekvenser avstemt tilnærmet til midten av forsterkningskurven 44 på figur 2 og 3-Ved utførelsen på figur 6 blir en forstyrrende sekundærmodus innført i ringlaserhulrommet og koples med den mot urviseren forplantende primærmodus. For å tilveiebringe den andre modus blir en del av primærmodusen som forplanter seg mot urviseren tatt ut gjennom et delvis transparent dielektrisk speil 88 fra laserstrålen 22. Denne bølge 102 passerer en dielektrisk isolator 90 av vel kjent art og endrer polariserings-vinkelen for bølgen som passerer. Bølgen 102 treffer et dielektrisk speil 92 som er festet på en stabel piezoelektriske elementer 94. En vekselspenning med valgt frekvens tilføres stabelen 94 fra en oscillator 104, slik at speilet 92 bringes til å svinge. Denne svingning på sin side dopplerforskyver frekvensen av bølgen 102, slik at etter at den er reflektert fra et dielektrisk speil 98 blir den gjennom det delvis trans-parente speil 88 igjen innført i ringlaserbanen med en frekvens som er forskjøvet i forhold til primærmodusen, fra hvilken den ble tatt ut.. Den dopplerforskjøvede modus koples etter innføringen igjen i banen 22 med den primære modus mot urviseren og bevirker en minskning av inn 1 å sningsvirkningen på slik som ved foregående utførelseseksempler.

Amplituden av den dopplerforskjØvede bølge 102 som trer inn igjen i hulrommet er representert i differensfrekvens-uttrykket ved c. c kan styres ved å styre amplituden av bølgen 102. Dette kan skje ved styring av passerbarheten i det dielektriske speil 88. to i dif f erensf rekvensuttrykket svarer til frekvensen av svingningen for den piezoelektriske stabel 94. to kan lett styres ved ganske enkelt å endre styrefrek-vensen for svingningen som frembringes i kretsen 104. Ved å styre amplitude og frekvens av svingningen for modus 102 når den trer inn igjen i laserhulrommet og koples med primærmodusen mot urviseren, kan inn 1 åsningsvirkningen svekkes vesentlig.

Eventuelt kan en polarisator 96 anordnes i banen for bølgen 102 slik at bølger med en polarisasjonsretning kan passere mens bølger med annen polarisasjon sperres. Polarisatoren 96" er innstillbar slik at bølgen 102 slipper gjennom.

Da retningsisolatoren 90 har endret polarisasjonsretningen for bølgen 102 vil deler av primærstrålingen med urviseren i hulrommet som passerer speilet 88 ha forskjellig polarisasjon og vil sperres av polarisatoren 96.

Endringer kan naturligvis foretas i de ovenfor beskrevne utførelseseksempler innenfor oppfinnelsens ramme, for eksempel kan det anvendes en rektangulær ringlaserbane,

og det kan anvendes andre hjelpemidler enn piezoelektriske elementer for å sette dielektriske speil i svingninger, det kan også anvendes andre styreinnretninger for å endre lengden av laserhulrommet, og det behøves ikke og anvendes slik styring overhodet, og for kombinering og bearbeidning av de primære i motsatt retning forplantende modi for å utlede rotasjonsinfor-

Claims (4)

1. Ringlasergyroskop omfattende et ringlaserlegeme med reflekterende flater som avgrenser en sluttet optisk bane, hjelpemidler for å frembringe og opprettholde minst to i motsatt retning forplantende primære resonansmodi i banen, og hjelpemidler for å bearbeide svevefrekvenssignalet mellom primærmodiene for frembringelse av signaler som representerer vinkelbevegelsen av ringlaserlegemet om dets følsomhetsakse, karakterisert ved hjelpemidler for å frembringe og opprettholde minst en sekundærforplantende resonansmodus i banen for å minske innlåsningseffekten mellom primærmodiene.

2. Ringlasergyroskop ifølge krav 1, hvor et elektrisk ladet gassplasma anvendes for å frembringe og forsterke primær-og sekundærmodiene, karakterisert ved hjelpemidler for å regulere lengden av den optiske bane slik at minst to svakere i motsatt retning forplantende sekundærmodi og minst to sterkere i motsatt retning forplantende primærmodi frembringes og forsterkes i gassplasmaet.

3. Ringlasergyroskop ifølge krav 1, hvor det frembringes minst én sekundærmodus, karakterisert ved en utenfor ringlaserlegemet anordnet kilde for en sekundærmodus med frekvens forskjellig fra primærmodiene, og en innretning for innføring av den eller de ytre sekundære modi i banen.

4. Ringlasergyroskop ifølge krav 1, hvor hjelpemidlene for å frembringe og opprettholde minst én sekundærmodus omfatter en innretning for å ta ut en del av minst én av primærmodiene fra den sluttede bane, karakterisert ved at det i banen er anordnet en innretning for å endre svingefrekvensen av den uttatte del, og at det er anordnet en innretning for å innføre den uttatte del med endret frekvens i banen igjen.