SE430725B - Ringlasergyro - Google Patents

Description

781132116-3 2 10 15 20 25 30 35 Vid känd teknik, såsom den beskrivs i exempelvis de amerikanska patenten 3 373 650 och 3 H67 472, användes ett triangelformat laserresonant ringhålrum, som definieras av tre hörnspeglar. Triangelformen är föredragen tack K vare att den fodrar minimalt antal speglar. En lasergas ut- fäller ringhålrummet. Lsergasen innefattar helium- och neongaser, som arbetar vid en av de tre våglängderna, an- tingen vid 3;39 eller 1,15 u inom det infraröda spektral- bandet eller 0,5328 p inom det synliga omrâdet. Genom en lagom avvägning av förhållandet mellan de *få nefiwifotopflrna Ne D strålar alstras. De båda laserstrålarna matas medurs och och Ne22 i gasblandningen kan två monokromatisia moturs runt i det triangelformade hålrummet och följer samma slutna bana. Utan någon rotation kring ingångsaxeln kommer hålrumslängden för de båda strålarna att bli lika och de båda frekvenserna är lika. En rotation i endera riktningen medför en därav beroende ökning av hålrums- längden för den stråle som går i rotationsriktningen och en minskning för den andra strålen. Eftersom den slutna optiska banan utgör ett resonanshålrum, som ger upphov till en understödd svängning, så måste våglängden för varje stråle även öka eller minska på motsvarande sätt. En rotation av ringen i endera riktningen ger sålunda upphov till en frekvensuppdelning och de båda frekvenserna skiljer sig med ett värde som är proportíonellt mot rotations- hastigheten. Vid utgångsspegeln uttas medurs- och moturs- *strålarna och kombineras medelst ett utgångsprisma för att alstra ett interferensmönster, som kan avkännas medelst en fotodetektor. Potodetektorn avkänner den träffrekvens som förorsakas av att de båda signalfrekvenserna överlagring.

Träffrekvensutsignalen är ett mått på rotationshastigheten.

Ett ringlasergyro är känsligt för temperatur- variationer över dess symmetrilinje. Dylika variationer på- verkar Langmuirflödet. Detta Langmuirflöde, som uppkommer genom katodisk pumpning mellan anod och katod, är normalt utbalanserat genom noggrann bearbetning av de kapillärhål, som innehåller glödurladdningen, och genom användning av två symmetriskt placerade glödurladdningar samt genom upp- 10 15 20 30 35 rätthållande av en konstant strömurladdning inom de båda glödurladdningarna medelst två aktiva strömreglerare.

Tidigare kända ringlasergyron är extremt känsliga för temperaturändríngar i omgivningen eller temperatur- ändringar förorsakade av uppvärmning. Dessa temperatur- ändringar förorsakar vid de tidigare kända ringlasergyrona temperaturskillnader tvärs över deras symmetriplan på grund av att gyroblocket var osymmetriskt, såsom framgår av an- givna skrifter. Följden blir att utsignalpulser uppträder trots att det ej förekommer någon rotation \r'n- inuångsaxeln.

Om blocket görs osymmetriskt erfordrades vid tidigare känd teknik ett förfarande för förhindrande av låsning (lock-in) genom mekanisk svängning. Läsning uppträder låga ingångs- rotationshastigheter, då ingångsfrekvensen faller under ett visst kritiskt värde eller ett tröskelvärde. Inom låsnings- området föreligger ett olinjärt förhållande mellan insignalen och utsignalen. Utanför låsningsområdet är däremot för- hållandet mellan in- och utsignalerna i huvudsak linjärt.

Den föreliggande uppfinningen avser en triangel- format laserresonant ringhålrum, som definieras av tre hörn- speglar. En gaslaser som ger monokromatiskt ljus utgör en del av hålrummet och det omfattar en kapillär glödurladdning i en helium- och neongasblandning. Hålrummet uppbärs vid centrum på en stav medelst ett flertal fjäderorgan, vilka samtliga är belägna på hålrummets symmetrilinje. Vid upp- finningen fordras ej några asymmetriska urtag eller för- skjutna hål, såsom beskrivs i samband med tidigare känd teknik. Följaktligen förorsakar en temperaturändring i om- givningen eller på grund av start ej några temperaturgradi- enter över anordningens symmetrilinje. En optisk kil av glas eller glaskeramik är anordnad på utgångsreflektorn. Kilen medför att strålarna blir något vinkelförskjutna. Detta reducerar känsligheten för den interferometer som bildas mellan kilen och retroreflektorn. En lagom avvägd vinkel medför att interferometerns känslighet blir lika med och motsatt den som gäller för ringlasern då lasern bringas i svängning kring sin symmetripunkt. 7803246-3 7snz24e-5 ~p H 10 15 20 25 30 35 Det är följaktligen ett ändamål med den före- liggande uppfinningen att åstadkomma ett ringlasergyro, som huvudsakligen är okänsligt för temperaturförändringar; Detta och andra ändamål med, egenskaper och för- delar hos uppfinningen kommer att framgå av den följande beskrivningen, som ges i samband med bifogade ritningar, där fig. 1 visar schematiskt ett ringlasergyro av känt slag, som är känsligt för temperaturgradienter över sin symmetrilinje, fig. 2 visar schematiskt ett förhïitrat ringlaser- gyro enligt uppfinningen och med den därtill hörande kilen, fig. 3 visar på samma sätt som fig. 1 det kända prismat använt som en strålkombinator, fig. 4 visar schematiskt en ytterligare utförings- form av uppfinningen där strålarna överförs genom reflexíon för utjämning av likartad och motsatt känslighet och fig. 5 visar en utföringsform likartad den i fig. H under utnyttjande av refraktionsegenskperna hos en parallellepiped av glas eller glaskeramik, varvid strålarna, överförs så, att likartad och motsatt känslighet hos en ringlaser och en interferometer utjämnas.

I fig. 1 visas ett känt ringlasergyro med en konventionell strålkombinator, som kommer att beskrivas i det följande i och för att visa de organ som normalt ut- nyttjas för undvikande av låsning. Gyrot består av ett triangelformiat glaskeramikblock 10, som bearbetats för erhållande av ett hålrum. Hâlrummet avgränsas av två hög- reflekterande organ 12, 13 och en utgångsreflektor 1H. En plasmaurladdning mellan två anoder 15, 16 och katoden 17 användes för att ge den nödvändiga ledningen i den He-Ne-gas som fyller hålrummet.

Blocket 10 är mekaniskt uppburet av sitt underlag medelst en fjäder 18. Denna fjäder är infäst i underlaget vid en bärande arm 19. Blocket drivs medelst exempelvis ett yttre piezoelektriskt aktiverorgan (ej visat), så att det svänger runt punkten A. Ett ändamål med denna svängníng är att införa en ingångsfrekvens, som är tillräckligt hög för att undvika låsningseffekten. Detta sker mest effektivt 10 15, 20 25 30 35 7803246-5 genom användning av en falsk svängning av obestämd storlek (pseudo random dither). För att exakt återvinna den verkliga ingångsfrekvens, som ringlasern exponeras för, är det nöd- vändigt att använda en kompenserande strälkombinator. Denna kombinator består av en retroreflektor 20, som här åskådlig- gjorts som ett Porro-prisma. Ett Porro-prisma är en triangel- formad optisk anordning med en 900 och två H50 vinklar. Ljuset inmatas i det närmaste vinkelrätt mot hypotenusan och, efter två inre reflexioner, lämnar prismat via samma yta. Även kubiska reflektorer användes. De monokromatiska medurs- och moturs- strålarna (CW resp. CCW) av kontinuerlig våglängdstyp avkännes medelst en fotodetektor 22. Retroreflektorn är jämte foto- detektorn mestadels infäst på underlaget. Genom detta ut- förande med CW- och CCW-strålar bildas en interferometer.

Enklast uttryckt är en interferometer varje anordning där en ljusstråle uppdelas i två eller flera delar genom del- reflexion för senare bli återförenade efter att ha genom- löpt olika optiska banor. Den bildade interferometerns känslig- het är lika med och motsatt den som gäller för ringlaser- gyrots utsignal, då gyrot svänger kring punkten A, vilket väljes så att förskjutningen "d" blir lika med spegelns 1U tjocklek "t".

Vid den kända anordningen anges att CW- och CCW- strålarna kombineras så aüzen liten vinkelkonvergens bildas mellan de två strålarna när de når fotodetektorn 22. Genom att göra så bildas ett interferensmönster, som består av två eller flera ljusa ytor åtskilda av mörka ytor. Detta streckformiga mönster rör sig åt enderalhålleti beroende av i vilken riktning som ringlasern roteras. Ringlaserns rota- tion kan sålunda avkännas genom attfotodetektorn 22 upp- delas i två områden lite förskjutna (900) relativt det streck- formiga mönstret.

Den kända anordningen utnyttjar en retroreflektor 20 som återkastar utgångsljusstrålen vinkelförskjuten med ett litet värde, normalt ett par vågminuter, för att bilda ovan nämnda konvergens, så att avkänningen av rotationsför- loppet hos ringlasern underlättas. Ett Porro-prisma är relativt enkelt att tillverka vad beträffar den önskade 7. 8 10 15 20 25 30 35 0 3246-3 5 vinkelförskjutningen: Vissa nackdelar föreligger dock hos Porro-prismat då det användes som retroreflektor eftersom det förutsätter en ganska komplicerad injustering. De flesta tidigare kända lasergyrona utnyttjar därför en hörn- kubisk retroreflektor. Det är emellertid besvärligt och dyrbart att framställa en hörnkubisk retroreflektor med en bestämd vinkelförskjutning på grund av att förskjutningen styrs av att korrekt utformning av fyra optiska ytor inställ- da med sex vinklar erfordras.

Den föreliggande uppfinningen gör Ir? praktiskt möjligt att använda antingen ett Porro-prisma eller en hörnkubisk retroreflektor med nominella vinklar utan någon noggrann vinkelförskjutning. Dylika retroreflektorer är mycket mindre besvärliga att tillverka och enklare att ställa in än de som har inbyggd vinkelförskjutning av precisionstyp. Erforderlig vinkelkonvergens_kan enkelt er- hållas genom vinkelförskjutning av kilen 28 enligt fig. 2.

Genom förskjutning av denna kil med halva värdet av er- fordrad konvergensvinkel kommer den halvförsilvrade ytan 30 på kilen att förorsaka att CW-strålen blir vinkelförskjuten, så att interferensstreckmönstret erhålles på detektorn 22.

Asymmetriska urtag 23; 2H, 26 användes tillsammans med en förskjuten öppning 27 för att mekaniskt blocket runt dess bärarm 19. Denna balansering är nödvändig för att und- vika mekanisk koppling till yttre källor för linjära vibrationer.

Nackdelen med det i samband med fig. 1 beskrivna ringlasergyrot är att det är extremt känsligt för tempera- turgradienter över sin symmetriaxel B - B enligt fig. 1.

Dessa gradienter ändrar gasflödet i hålrummet och ger upphov till utpulser vid tidpuntker då någon insignalfrekvens ej har inmatats. Förstärkníngsinstabíliteten uppträder í den kända anordningen enligt fig. 1 när det förekommer en för- Skälet härtill är att det osymmetriska blocket inducerar temperaturgradienter. De ändring av yttertemperaturen. tillhörande tidskonstanterna är av storleksordningen timmar. 10 15 20 25 30 35 'iöü I fig. 2 visas en utföringsform av den före- liggande uppfinningen. Den i fig. 2 återgivna konstruktionen är i grunden den samma som den som visas i fig. 1.

Därför kommer enbart de framträdande egenskaper, som utgör själva O uppfinningen, att diskuteras i detalj. I fig. 2 är fjäderns centrum och dess lagringsarm, punkt A, placerad i blockets f: Å- centrumlinje B - B. Dessutom behövs ej några urtag eller för- *skjutna hål i blocket. En optisk kil 28, som exempelvis är tillverkad av U.L.E., är anbringad på utgångsspegeln 29 medelst ett optiskt lim. Materialbenämnínçfln ”.L.V. är Corning Glassworks varumärke för ett kiselmaterial med ultra- låg expansion, en titanstabíliserad glaskeramik. U.L.E.- materialet är vattenklart och uppvisar en bra termisk expan- sionspassning till laserblocket. Laserblocket är normalt tillverkat av en annan glaskeramik, som är resistiv mot heliumdiffusion och har lågt termiskt expansionsvärde. Så- lunda användes materialet Cervit 101 från Owens~Illinois eller materialet Zerodur från Schott. En god termisk expansionspassning är nödvändig för undvikande av optisk dubbelbrytning på grund av termiskt inducerade påkänningar.

Kilen 28 har en del 30 halvförsilvrad. Alla optiska luftytor är på normalt sätt antireflexbelagda, exempelvis V-belagda, för att nedbringa förlusterna. Retroreflektorn 31, som här återges som ett Porro~prisma men lika gärna kan vara utformad som en hörnkubisk reflektor, är likaledes anti- reflexbelagd över sin hypotenusa. Det är också vanligt att vinkelförskjuta retroreflektorn något för att undvika att den första ytan på grund av reflexion återkopplar till laserhålrummet.

Kilen 28 göratt CCW-strålen blir något vinkel- förskjuten. Detta reducerar känsligheten för den inter- ferometer som bildas mellan kilen och retroreflektorn 31.

En rätt vald kilvinkel gör att interferometerns känslighet blir lika med och motriktad den som gäller för ringlasern, då den sistnämnda svänger kring punkten A. Det har upptäckts attkorrekt kilvinkel för utnyttjad geometri och använt material är ungefär Ho. .q .- f-*f o- 3 7-8031246-3 10 15 20 25 30 35 Utföringsformen enligt fig. 2 medger en använd- ning av ett symmetriskt block med symmetriskt anordnad upp- hängning. Fördelarna relativt de kända anordningarna är att den på grund av asymmetrin föreliggande förstärknings- instabiliteten undanröjes, något behov av balanserande ur- tag och förskjutna öppningar föreligger ej och utsignal- reflektorn kan placeras på blocket inom ett optimalt läge så att bakåtläckning hålles på ett minimum. Detta är ej möjligt med känd teknik (exempelvis såsom den visas i fig. 1) på grund av att utgångsreflektorn 1" ä=v fw nunkt 21 halvförsilvrad under ett tidigare framställningslcd.

Pig. 3 är ett annat exempel på tidigare känd teknik för strålkombinerorgan där ett prisma 32 användes.

Det kan observeras att erforderlig förskjutning "d" är lika med spegeltjockleken "t". Prismat har ett halvför- silvrat mellanskikt 33, varmed CW- och CCW-strålarna i lasern överlagras. Prismat och normalt även detektorn 35 är fasta med avseende på underlaget.

En andra utföringsform av uppfinningen visas i fig. 4 varigenom ett nytt sätt för strålöverföring åskådliggörs, så att nollförskjutningen-kan underlättas, exempelvis genom att svängningslagringen kan förläggas till symmetrilinjen B - B. Strålöverföringen sker medelst en rätlinjig parallellepiped H0, som delvis gjorts reflekteran- de och anordnats på utgångsreflektorn 41. Det kan obser- veras att strålarnas förlängning (streckad linje) skär inner ytan av utgångsreflektorn.

Pig. 5 visar ännu en utföringsform av uppfinning- en, där strålöverföringen sker under utnyttjande av refrak- tionsegenskaperna hos utgångsreflektorn 50. Denna form är i praktiken mindre önskvärd än de former som visas i fig. 2 och H på grund av att det är svårt att fabricera anti- reflexbeläggningar med goda egenskaper för s-polariserat ljus vid stora infallsvinklar.

Av det föregående framgår att man med uppfinning- en möjliggör ett ringlasergyro, som uppvisar refraktions- organ så att en symmetrisk utformning och lagring av ring- lasern kan erhållas, vilket undanröjer dess känslighet för temperaturändringarÄ Dessutom medger uppfinningen att 7893246-3 utgångsreflektorn placeras i ett optimalt läge för minskning av återkoppling och därmed uppnås en bättre instrument- funktion. Uppfinningen innebär därutöver att reflexionsorgan användes för uppnående av de tidigare angivna målen. Även om enbart föredragna utföringsformer av uppfinningen har beskrivits är dock avsikten icke att uppfinningen skall anses vara begränsad därtill utan den bestämmes enbart genom de efterföljande patentkraven.

Claims (10)

'78-03246-5 PATENTKRAV

1. Ringlasergyro uppvisande ett ljusledarblock (10) som är symmetriskt anordnat kring gyrots symmetriaxel (B - B) för eliminering av temperaturgradienter över denna axel och att leda tvâ varandra motroterande strålar av monokromatiskt ljus längs en sluten slinga runt en rotationsaxel (A), varvid en frekvensdifferens uppträder mellan strålarna på grund av rotation kring rotationsaxeln, k ä n n e t e c k n a L av ett förskjutningsorgan (28; 40; 50) för förskjutning av en av de monokromatiska strålarna vid ljusledarblockets (10) ut- och ingångspunkter (29; 41) samt av ett riktningsomkastande organ (31; 32, 33) avsett att omrikta strålen från förskjutnings- organet längs en separat optisk bana för att minska känslig- heten för den interferometer, som bildas mellan förskjutnings- organet och det riktningsomkastande organet, så att inter- ferometerns känslighet blir exakt lika med och motsatt laser- gyrots känslighet.

2. Gyro enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t av att ljusledarblocket (10) inbegriper ett triangelformat laserhålrum med laserbildande innehåll för avgívande av de monokromatiska ljusstrâlarna, en reflekterande yta (12 - 14) vid varje föreningspunkt mellan hâlrummets ben, varvid en av dessa reflekterande ytor utgör en utgångsreflektor (29; H1) och ljusledarblocket uppvisar organ (18) för lag- ring av detsamma på ett underlag för åstadkommande av slumpvis svängning av hålrummet, varvid förskjutningsorganet (28; 40; 50) och det riktníngsomkastande organet (31; 32, 33) är anordnade att förmedla det från hälrummet avgivna monokromatiska ljuset till en detektor (223 35) längs en förutbestämd bana.

3. Gyro enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k- n a t av att förskjutningsorganet (28; H0; 50) och det rikt- ningsomkastande organet (31; 32, 33) omfattar en partiell halv- försilvrad kil (28), vars kilvinkel är av storleksordningen Ho och som är tillverkad av ett material med termisk expansion av samma storlek som för ljusledarblocket (10), varvid kilen är förbunden med ljusledarblockets utgångsreflektor (29) medan en retroreflektor (31) är anordnad för omriktníng av den från kilen avgivna strålen tïU.attgå idenseparata optiska banan. 7803246- 3

4. Gyro enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e.c k- n a t av att en parallellepiped (40; 50) med partiellt för- silvrade ytor är fäst på ljusledarblocket (10) ooh utgör för- ' skjutningsorgan, varvid ett strålkombinerarorgan (32, #1) omriktar utgångsstrålen från parallellepípeden för att underlätta nollförskjutning av ljusledarblocket från dess symmetrilinje' med avseende på lasergyrot; 7 _

5. 'Gyro enligt patentkravet 3, k'ä n n e't e c k n a t av att retroreflektorn innefattar ett likbent, rätvinkligt prisma (31), som förmedlar ljuset, som kommer från kilen (28), huvudsakligen i rät vinkel mot dess hypotenusa.

6. Gyro enligt patentkravet 3, k ä n n e t e c k n a t av att den på utgångsreflektorn (29) anordnade kilen (28) är in- ,fäst med ett optískt lim och är anordnat att ge ett interferens- mönster för svängníngsavkänning, varvid en hörnkubisk retro- reflektor användes utan preciserad förskjutning mellan reflexions- ytorna inom retroreflektorn.

7.- Gyro enligt patentkravet 3 eller 8, k ä n n e t e c k- n a t av att utgångsreflektorn (29) utgörs av en plan ocn i huvudsak parallellsidig kropp uppvisande en liten vinkelför- _ skjutning mellan de plana ytorna, varvid den på utgångsreflektorn limmade kilen (28) är anordnad parallell med utgångsreflektorn.

8. Gyro enligt patentkravet 4, k ä_n n e t e c k n a t av att den optiska parallellepipeden (H0; 50) med försilvrade områden är fäst på utgàngsreflektorn (41) för att avböja ut- gångsljusets bana, varvid prismat (32) är anordnat att förmedla ljuset från kilen och ändra den optiska ljusbanan för ljusets avkänning.

9. Gyro enligt patentkraven 4 eller 8, k ä n n e t e c k- n a t av att parallellepipeden (50) är fäst med sin ena kort- sida på utgångsreflektorn (41).

10. Gyro enligt något av föregående patenktrav, k ä n n e- t e c k n a t av att de optiska avböjningsorganen är utförda av ett material med ultralågt expansionvärde. .Å