SE444364B - Icke-plan ringlaser med minst tre spegelpar - Google Patents

Description

15 20 25 30 35 j 7910492-3 2 mellan modena, och det är svårt att uppnå multioscillator- drift. V Enligt föreliggande uppfinning fastslog man redan från början att spegelanisotropi var en väsentlig orsak till modkoppling i multioscillatorringlasrar med fyra moder. För undvikande av modkoppling användes en spegel- geometri, som utnyttjar minst tre matchade spegelpar i en speciell icke-plan geometri. Speciellt har ett jämnt an- tal speglar, inte färre:än 6, sin anisotropi matchade i par. Speglarna i de matchadeparen behöver ej ligga intLU_var- andra utan kan vara arbiträrt utplacerade i laserstrålens bana. De måste emellertid vara inom de geometriska gräns- erna, som här beskrivs. nu _ V De infallande och reflekterande strålarna defini- erar ett infallsplan för varje spegel. Det är nödvändigt, att varje spegels infallsplan är ortogonalt_relativt in- fallsplanet av minst en intilliggande spegel i laserstrâlens bana. Det bör observeras, att de två intilliggande speg- larna för att uppfylla detta villkor inte måste ha matchade anisotropier. _ Det tredje villkoret avseende speglarna är att varje spegel i paret av matchade speglar måste ha samma infalls- vinkel som den andra-spegeln i detta par.

En väsentlig fördel med föreliggande uppfinning ligger i det faktum, att, med denna geometri, när speglarna med i huvudsak samma anisotropa egenskaper användes i par, den relativa dämpningen och fasskiftningen mellan polarisa- tionens S- och P-moder elimineras. Därför elimineras i huvudsak kopplingen mellan moder och bättre multioscillator~ lasergyrodrift kan uppnås. _ Det är ett annat särdrag av föreliggande uppfinning att ringlasrar kan framställas av ett materialblock med den allmänna formen av en rektangulär parallellepiped.

Vanligen borras hål genom materialet från spegel till spegel, parallellt med den önskade laserbanan i blocket, och in synnerhet avfasas eller skäres bort blockets kanter med en sådan vinkel, att man erhåller monteringsareor för de 10 15 20 25 30 35 791 0492-31 3 reflekterande ytorna eller speglarna. Dessutom anbringar man lämpliga anod- och katodanordningar (ej visade) lik- som multimodalstrande element (ej visade) för framställning av en fungerande lasergyro.

I Det är därför ett syfte med föreliggande uppfin-~ ning att eliminera effekterna av anisotrop reflexion i en ringlaser.

Ett annat syfte med uppfinningen är framtagning av en bättre ringlaser.

Ett speciellt syfte med uppfinningen är att åstad- komma en bättre icke-plan ringlaser med eliminerade aniso- tropa effekter. _ Andra syften, särdrag och fördelar med uppfinningen framgår av den följande detaljerade beskrivningen och av ritningarna.

Pig. 1 är en perspektivvy av en typisk utförings- form med sex speglar enligt föreliggande uppfinning; I V fig. 2 - 7 är vyer av ytor av en ortogonal utlägg- ning av utföringsformen enligt fig. 1; fig. 8 är en perspektivvy av en typisk utförings- form med åtta speglar enligt uppfinningen; fig. 9 - lu är vyer av ytor av en ortogonal utlägg- ning av utföringsformen enligt fig. 8; och fig. 15 visar kurvor av spegelfasdubbelbrytning som funktion av spegelinfallsvinkel.

Man utgår från ett block 10, 12 av ett material med låg värmeutvidgning, vilket material vanligen användes vid framställning av lasergyron. Denna kropp 10, 12 kan exempel- vis bestå av kvarts eller av så kallat " U.lnEWtitansilikat, som kan erhållas från Corning, eller "Cervet", som kan er- hållas från Owens, Illinois, U.S.A.

Föreliggande uppfinning avser ett unikt geometriskt spegelarrangemang, som leder till en isotropisk (dvs med avseende på linjär fasdubbelbrytning och förlustanisotropi) ringlasergyrokavitet. Pig. 1 - 7 visar en ringlaser med sex speglar, som ej ligger i ett plan, med användning av föreliggande anordning. Pig. 8 - ln visar en ringlaser 1o_ 15 20 25 30 35 7910492-3 U »med åtta speglar, som ej ligger i samma plan, med använd- ning av föreliggande anordning. Speglarnas anisotropi måste vara matchad i identiska par av beläggningar. Den geometriska placeringen är sädan, att både fasanisotropi- bidraget och förlustanisotropibidraget (Q-anisotropibi- draget) till ringlasern av varje matchat par speglar bring- as ned till 0. Det matematiska nollresultatet visas om man betraktar ett par intilliggande matchade speglar. Noll- resultatet erhålles genom att infallsplanen för ett par intilliggande matchade speglar är inbördes ortogonala och att infallsvinklarna för var och en är lika. En analys av Jones-matrisen för två identiska speglar, vilka är geo- metriskt anordnade enligt föreliggande uppfinning, visar detta nollresultat: V “ I c < R c (s) = Xy R (soon <1) vari Jones-matrisen ) fxieié/2 0 C (6 = ' -iâ/2 (2) O' -yie representerar en anisotrop spegel med väsentligen 6-linjär dubbelbrytning för någon infallsvinkel och x och y är P- respektive S reflexionsfaktorerna för båda speglar. o _ 0 -1 R (90 ) - Q? O (3) är matrisen, som representerar en rotation av infalls- planet 900 efter reflexion från den första spegeln i paret.

Det bör observeras, att resultatet från paret av reflexion- er i samband (i) visar inget spår av 6-dubbelbrytningen utan endast rotationen 900. _ Det bör observeras, att de anisotropt matchade speglarna inte måste ligga bredvid varandra. När den i det föregående angivna beräkningen har utförts med förutsätt- ningen att man har ett matchat par intilliggande speglar (vilket är en bekväm förenkling), kan speglarna i hela apparaten arbiträrt utbytas mot varandra utan förlust av 10 15 20 25 30 35 7919492-s anisotrop eliminering. , Praktiskt taget alla dielektriska flerskiktsspeg- lar uppvisar i viss omfattning både fas- och Q-aniso- tropi för reflexioner vid trubbiga infallsvinklar. Pig. 15 visar en kurva, där den spegel reflektans inducerade fas- dubbelbrytningen är avsatt som funktion av infallsvinkeln för flera speglar. De i fig. 15 visade kurvorna repre- senterar tre separata speglar. Två matchade speglar skulle vara respresenterade med en enda kurva i fig. 15. Skiktets tjocklek och det optiska indexet är ytterst kritiska para- metrar vid kraftigt reflekterade dielektriska flerskikts- staplar med avseende på detta samband mellan fasskiftning och infallsvinkel (fig. 15). Dessa är svåra att reglera och kontrollera. Emellertid har, till förmån för uppfin- ningen, två sådana speglar, som är belagda samtidigt i omedelbar närhet av varandra, nästan identiska kurvor för fasskiftning/infallsvinkel. Detta särdrag leder till ett enkelt sätt för att erhålla matchade par av identiska speg- lar. Med användning av den i det föregående beskrivna geo- metriska anordningen på en kavitet med åtta speglar er- hölls en tusenfaldig reduktion av anisotropi från fyra matchade par av speglar.

De grundläggande villkoren på laserbanan enligt uppfinningen är: _1. Man måste ha ett jämnt antal speglar, ej mindre än sex, varvid speglarna är anordnade par av speglar med i huvudsak samma anisotropi. Det är inte nödvändigt, att de matchade speglarna befinner sig bredvid varandra. 2. Varje spegels infallsplan måste vara ortogonalt relativt infallsplanet för minst en intilliggande spegel i laserbanan. Eventuellt kan det vara ortogonalt relativt infallsplanet för bägge intilliggande speglar i laser- banan. Det bör observeras, att intilliggande speglar val- fritt kan vara anisotropt matchade. 3. Infallsvinkeln för de två speglarna i varje matchat par måste vara lika.

I den omfattning, som någon av de tre villkoren 18 15 20 25 30 35 7910492-3 6 inte uppfylls, tar de anisotropa egenskaperna inte ut var- andra. I nâgra apparater kan en ringa mängd anisotropi tolereras, och en ringa avvikelse från de tre villkoren är godtagbar. I denna mening kan man säga, att de tre villkoren endast i huvudsak måste vara uppfylldal Pig. 1 - 7 visar en typisk uppställning av sex speglar enligt föreliggande uppfinning. Denna uppställ- ning med sex speglar erfordrar tre par speglar med matcha- de anisotropa egenskaper i varje spegelpar. De matchade spegelparen måste inte vara intilliggande par av speglar.

Emellertid väljes för att göra förklaringen bekvämare de matchade paren som J-L, M-N, K-O. Med detta val måste J och L, M och N, K och O ha en par-partner, som i huvud- sak har samma anisotropa egenskaper som den själv har. I den valda pargrupperingen är J lika med L, M är lika med N, och K är lika med O.

Infallsplanen för intilliggande speglar är ortogo- nala. Infallsplanet för spegeln J är bestämt av strålarna OJ och JK. Infallsplanet för spegeln K är bestämt av strål- arna JK och KL. Infallsplanet för spegeln L är bestämt av strålarna KL och LM. Infallsplanet för spegeln M är bestämt av strålarna LM och MN. Infallsplanet för spegeln N är be- stämt av strålarna MN och NO. Infallsplanet för spegeln O är bestämt av strålarna NO och OJ. Det vil1.säga¿ infalls- planet för spegeln J är vinkelrätt mot det för speglarna K och 0. Infallsplanet för spegeln K är vinkelrätt mot det för speglarna J och L. Infallsplanet för spegeln L är vinkelrätt mot det för speglarna K och M. Infallsplanet för spegeln M är vinkelrätt mot det för speglarna L och N.

Infallsplanet för spegeln N är vinkelrätt mot det för speg- larna M och O. Infallsplanet för spegeln O är vinkelrätt mot det för speglarna N och O. Det bör observeras, att in- fallsplanen för de visade sex speglarna är parallella och intill de sex ytorna av den rektangulära parallellepipeden, som avgränsar locket 10 innan någon av ytorna är avfasad.

Således är det andra villkoret uppfyllt. . __ _. . . 'o I ftp. 1 ~ 7 ar infalls- och rcflexlonsvinklarna H5 . 10 15 20 25 30 35 -av det valda matchade paret A-D, C-G, E-F, B-H. 7910492-3 7 Således är det tnafie villkoret uppfyllt. Det bör observeras, att de inte måste vara 459. Det är endast nödvändigt, att infallsvinklarna för varje matchat par J-L, M-N och K-O är matchade.

En utföringsform med användning av fyra matchade speglar är visad i fig. 8 - 14. De matchade spegelparen är arbiträrt valda som A-D, C-G, E-F och B-H.

Infallsplanen för speglarna A, B, C, D, E, F, G respektive H är definierade av strålarna HA och AB, AB och BC, BC och CD, CD och DE, DE och EF, EF och FG, FG och GH, och GH och HA. Det framgår sedan, att infalls- planen för de intilliggande speglarna B och C, D och E, Således är det andra villkoret uppfyllt. Det bör observeras, att F och G och H och A är vinkelräta mot varandra. i utföringsformen enligt fig. 8 infallsplanet för varje spegel befinner sig intill sidoytan av en rektangulär parallellepiped, varvid två speglar befinner sig på och delar samma sidoyta. _ Alla de i fig. 8 - 1H visade speglarna har infalls- vinklar och reflexionsvinklar av H50. Men det bör obser- veras, att de inte måste vara H50, förutsatt att speglarnas infalls- och reflexionsvinklar är lika stora i varje spegel Således är det tredje villkoret uppfyllt.

Blocken 10 och 12 är i figurerna visade i huvudsak kubiska, varvid vissa kanter är avfasade för att uppbära en spegel i den önskade vinkeln. Men det bör observeras, att blockets form inte är kritisk, eftersom speglarna kan insättas i blocket genom håL (ej visade) för placering i de önskade vinklarna med avseende på lasersträlens bana.

Vidare är laserkaviteten ej visad. Laserkaviteten omger laserbanan och är vanligen endastett hål i blocket.

Laserkaviteten är fylld med ett förstärkningsmedium för laser, t.ex. en gas av helium-neon.

För att få en laser att emittera ljus (lysa) måste delar av laserbanan, betecknade förstärkningssektioner, stimuleras. Ett sätt att stimulera gasen är att anbringa' 10 15 20 7910492-5 8 _ en katodelektrod (ej visad) och ett par anodelektroder (ej visade) på blocket 10, 12 i sådana lägen, att elektron- och jonflödet mellan elektrofierna stimulerar förstärknings- mediet i förstärkningssektionerna. För en ringlasergyro 'måste elektronerna vara placerade, att elektron- och jon- flödet uppdelas och strömmar i motsatta riktningar genom förstärkningsmediet för alstring av två eller flera grupper av strålningsvågor, som till en del utbreder sig i en rikt- ning och till en del utbreder sig i den andra riktningen utefter laserbanan.

Vidare kan det finnas organ för att flytta en eller flera av speglarna för avstämning av kavitetslängden.

Optiska organ, såsom halvförsilvrade speglar eller prismor (ej visade) kan även användas för riktning av strâlen från ringlasern och avgivning av denna till en strâlningssensor (ej visad) för ytterligare signalbehandling av signalen för alstring av en signal, som är ett mått på ringlaserns vinkelhastighet omkring en speciell axel.

Det kan även vara önskvärt av andra orsaker i samband med framställning av en optimal ringlaser för gyro~ drift att inkludera kristaller och/eller magnetiska fält i laserbanan.

De ej visade särdragen är antingen kända eller före- mål för andra patentansökningar.

Claims (6)

7916492-3% 9 PATENTKRAV

1. Icke-plan ringlaser med minst tre valda spegelpar i laserbanan, k ä n n e t e c k n a d därav, att (1) varje spegel i varje par har i huvudsak samma anisotropa egenskaper som den andra spegeln i detta par; (2) varje spegel har sitt infallsplan i huvudsak ortogonalt relativt infallsplanet av minst en av sina intilliggande speglar i laserbanan; (B) infallsvinklarna är i huvudsak lika för båda speglarna i varje av de valda matchade paren av speglar.

2. Ringlaser enligt patentkravet 1, k ä n n'e - t e c k n a d därav, att de i huvudsak matchade reflexions- anisotropierna är fas- och dämpningsanisotropier.

3. Ringlaser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att P- och S-reflexionsfaktorerna i den ena spegeln av varje matohat par i huvudsak är lika med P- och S-reflexionsfaktorerna i den andra spegeln i detta paret. H.

4. Ringlaser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e o k- n a d därav, att sex speglar är geometriskt så placerade, att varje spegels infallsplan är beläget invid respektive parallellt med sidorna av en rektangulär parallellepiped.

5. Ringlaser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav, att åtta speglar är geometriskt så placerade, att varje spegels infallsplan_är beläget invid en sidoyta av en rektangulär parallellepiped,varvid två speglar delar varje sidoyta.

6. Ringlaser enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k- n a d därav,att de matchade speglarna ligger bredvid var- andra och att förhållandet mellan speglarna i varje par av matchade speglar i huvudsak är karakteriserat av sambanden .c-( <5 > R (sno) c ( <5 ) => vari Junes-matrisen .eiÖ/'Z xi 0 CUW: 46/2 O -yie -7910492-3 10 representerar en anisotrop spegel med i huvudsak linjär dubbelbrytning vid någon infallsvínkel, x och y är P- respektive S-reflexionsfaktorerna för båda speglar och i är det komplexa_taleï fïï, och 0 1 *1 Û representerar en rofation av infallsplanet 900 efter R (900) = reflexion från den första spegeln i varje par av matchade speglar.