Aktiver Rotationssensor

Die Erfindung betrifft einen aktiven Rotationssensor mit einem Ringresonator zur Erzeugung des Laserlichts.

Derartige Rotationssensoren, die auch als Laserkreisel bezeichnet werden, sind bekannt und enthalten in Röhren Neon oder vergleichbare Gase, die zur Erzeugung des Laserlichts angeregt werden, welches innerhalb des Ringes geführt wird. Diese Rotationssensoren sind aufgrund der Gasfüllung aufwendig und teuer.

Aktive Rotationssensoren der eingangs genannten Art zeichnen sich dadurch aus, dass die Lichtquelle selbst wesentlicher Bestandteil des Kreisels ist.

Ein Ringlaser hat die Eigenschaft Laserlicht zu erzeugen, dass sowohl im Uhrzeigersinn als auch in umgekehrter Richtung den Kreisel durchläuft. Dies ist von elementarer Bedeutung für den Laserkreisel, weil eben diese beiden Laserstrahlen (Moden) letztlich ihre Eigenschaften unterschiedlich verändern, wenn der Kreisel in Rotation versetzt wird.

Es ist bekannt, dass die beiden Methoden unter dem Einfluss der Rotation ihre Schwingungsfrequenz ändern. Diese Differenz- oder auch Schwebungsfrequenz δv der beiden Moden ist streng linear zur Rotationsrate Ω des Kreisels.

Unter dem Einfluss der Rotation verändern sich die Frequenzen der beiden Moden, die als Schwebungsfrequenz einfach gemessen werden kann. Dieses Verfahren funktioniert jedoch nur dann, wenn der Laser, der Bestandteil des Kreisels ist, nur eine einzige Mode emittiert. Sollte der Laser mehr als nur eine Mode emittieren, so bildet jede Mode mit allen anderen Moden eine Schwebungsfrequenz und ein Rotationssignal ist nicht mehr zu erkennen. Dies kann gemäß Stand der Technik bei der Verwendung eines Helium Neon Laser relativ einfach vermieden werden.

Aus der DE 196 42 925 A1 ist ein Faserringlaser bekannt. Bei dem Faserringlaser gemäß diesem Stand der Technik zur Erzeugung gepulster Strahlung wird die Modenkopplung eingesetzt, die im Wesentlichen aus einem optischen Schalter und einem darauf abgestimmten optischen Resonator besteht. Die Repititionsrate des optischen Schalters bestimmt die Länge des zu verwendenden Resonators. Nachdem der optische Schalter aktiviert wurde, benötigt er eine bestimmte Zeit, um wieder zu schließen. Dazu sind gemäß diesem Stand der Technik 100 ns als Resonatorumlaufzeit erforderlich. Aus der Geschwindigkeit des Lichtes in der Faser ergibt sich die Länge des gesamten optischen Resonators zu etwa 20 m.

Diese bekannte Lichtquelle erzeugt mit Nachteil jedoch nur gepulste multimodale Strahlung. Demgegenüber ist für einen Laserkreisel kontinuierliche und einmodige Strahlung erforderlich.

Würde man den Ringlaser nach der DE 196 42 925 A1 in Rotation versetzen, so könnte man deshalb keinen Laserkreisel damit realisieren.

Es besteht deshalb die Aufgabe, einen aktiven Rotationssensor oder Laserkreisel zu schaffen, der preiswert herstellbar ist und auch ein geringeres Gewicht hat.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist vorgesehen, dass der Rotationssensor ein Faserringlaser ist und dass das aktive Glasfasermaterial und passives Glasfasermaterial einander fortsetzend kombiniert sind. Auf diese Weise ergibt sich ein aktiver Rotationssensor, der nur ein vergleichsweise geringes Gewicht hat, selbst wenn Glasfasern von erheblicher Länge benutzt werden müssen, die zum Teil aus aktivem, zum Teil aus passivem Material bestehen. Ferner ist ein solcher Rotationssensor aus Glasfasern einfacher als ein aus Röhren bestehender Rotationssensor herstellbar, relativ preiswert und hat, wie schon erwähnt, ein geringes Gewicht. Darüber hinaus kann ein derartiger Rotationssensor eine hohe Lebensdauer erreichen und ist weniger stoßanfällig als ein Gasringlaser beziehungsweise Rotationssensor, der aus Gasröhren aufgebaut ist. Ferner ist nicht zu befürchten, dass im Laufe der Zeit das für die Funktion wichtige Gas entweicht, weil der erfindungsgemäße Rotationssensor keine Gasentladungsröhren benötigt.

Die passive Glasfaser ist mit den beiden Enden der aktiven Glasfaser verbunden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die von dem aktiven Glasfasermaterial nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen ausgehenden Moden oder Frequenzen bei Gebrauch einander überlagert sind.

Dabei ist es möglich, dass zur Überlagerung der nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen von dem aktiven Glasfasermaterial ausgehenden Moden oder Frequenzen in den Faserstrang wenigstens ein Koppler oder optisches Element eingebaut ist. Zumindest der aus passivem Glasfasermaterial bestehende Faserstrang kann zu einer oder mehreren Spulen gewickelt sein. Dadurch ist es möglich, auch eine sehr große Länge des passiven Glasfasermaterials auf kleinem Raum unterzubringen.

Beidseits des aktiven Fasermaterials kann dabei, insbesondere spiegelsymmetrisch, jeweils wenigstens eine Spule aus passivem Fasermaterial angeordnet und mit dem aktiven Fasermaterial verbunden sein. Dies führt zu einer guten Symmetrie des Rotationssensors.

Günstig ist es insbesondere bei einer symmetrischen Anordnung, wenn die Überlagerung der beiden Moden der Stelle der Erzeugung des Laserlichts an dem Faserring gegenüber liegt beziehungsweise die Entfernungen von den Enden des aktiven Fasermaterials zu der Detektionsstelle - auch über die jeweiligen Windungen der Spulen aus passivem Fasermaterial - gleich lang sind. Dadurch ergeben sich die Überlagerungen der beiden Moden mit der erforderlichen Genauigkeit.

Für die Energiezufuhr zu dem aktiven Glasfasermaterial, also zu dem Teil des Rotationssensors, der von dem aktiven Glasfasermaterial gebildet wird, kann ein fasergekoppelter Diodenlaser mit Koppler vorgesehen sein. Dies ist eine bewährte Möglichkeit für eine derartige Energiezufuhr.

Für eine Verbesserung der Signale kann es günstig sein, wenn im Bereich des passiven Glasfasermaterials ein Faserfilter zur Einengung des Emissionsspektrums des aktiven Glasfasermaterials vorgesehen ist. Erfindungsgemäß wurde experimentell überraschend beobachtet, dass ein Schmalbandfilter das Schwebungssignal signifikant verbessert.

Damit das Laserlicht nach einem Umlauf durch den Rotationssensor wieder mit übereinstimmender Polarisation in den Bereich des aktiven Glasfasermaterials eintritt, kann im Verlaufe des passiven Glasfasermaterials wenigstens ein Polarisationsdreher angeordnet sein. Damit kann sichergestellt werden, dass das Laserlicht jeweils mit übereinstimmender Polarisation in das aktive Glasfasermaterial eintritt, von welchem es auch ausgeht.

Versuche haben gezeigt, dass es zweckmäßig ist, wenn die Länge der aktiven Glasfaser etwa fünf Meter bis etwa zehn Meter, bevorzugt etwa sechs Meter bis etwa acht Meter, insbesondere etwa sieben Meter beträgt.

Die Länge der passiven Glasfaser kann in der Größenordnung von etwa fünfzig Meter oder hundert Meter oder zweihundert Meter oder vierhundert Meter oder eventuell mehr oder Zwischenwerten von diesen Längen betragen. Die Kombination von aktiven und passiven Glasfasern mit den angegebenen Längen führt zu einem effektiven Rotationssensor, der vorteilhafterweise aus Glasfasermaterial bestehen kann, so dass keine Gasröhren erforderlich sind.

Wie bereits erwähnt, darf eine aktive Lichtquelle nur eine einzige Mode emittieren, um eine eindeutige Schwebungsfrequenz aufgrund der Kreiselrotation zu erhalten.

Wählt man erfindungsgemäß als Laser einen Faserringlaser aus, so benötigt man mindestens einige Meter dieses aktiven Materials, um Laserstrahlung zu erzeugen. Desweiteren ist die Verstärkungsbandbreite im Vergleich zum bekannten Helium Neon Laser (0,002 nm) beim beispielsweise Erbium dotierten Faserlaser (ca. 60 nm) wesentlich größer. Man hat somit einen mehrere Meter langen Resonator und eine immens hohe Verstärkungsbandbreite. Die Moden liegen daher erfindungsgemäß so dicht, dass keine optischen Filter oder anderen Mechanismen bekannt sind, die es erlauben, einmodige und kontinuierliche Strahlung mit einem Faserlaser oder Faserringlaser zu erzeugen.

Es wurde nun experimentell überraschend festgestellt, dass, wenn die Länge L des Ringlasers auf 200 m gewählt wird, ein reines Schwebungssignal entsteht, als würde der Laser nur eine Mode emittieren. Damit ist erfindungsgemäß ein Faserringlaserkreisel realisiert.

Der Modenabstand des optischen Resonators berechnet sich bei einem nach der Erfindung besonders bevorzugten Faserringlaser mit einer geometrischen Länge von 200 m zu:

δv=c/nL=3^*10⁸/1 ,5*200MHz=1 MHz

Erfindungsgemäß wurde festgestellt, dass eine Mindestlänge des optischen Resonators, bzw. der Länge der Glasfaser existiert, ab der monomodale Strahlung erzeugt wird.

Die aktive Glasfaser und die passive Glasfaser können an ihren Verbindungsstellen miteinander verschmolzen sein. Somit ist die Herstellung des Rotationssensor denkbar einfach.

Auch die aktive Faser kann zu einer wenigstens eine oder mehrere Windungen aufweisenden, platzsparenden Spule gewickelt sein. Somit kann sie mit den aus der neutralen oder passiven Glasfaser bestehenden Spulen auch unter beengten Verhältnissen eingesetzt und in einem entsprechend knapp bemessenen Gerätegehäuse untergebracht werden.

Vor allem bei Kombination einzelner oder mehrerer der vorbeschriebenen Merkmale und Maßnahmen ergibt sich ein Rotationssensor, der ein Faserringlaser ist, wobei das aktive Glasfasermaterial in überraschender Weise mit passivem Glasfasermaterial kombiniert ist, damit ein funktionstüchtiger aktiver Rotationssensor entsteht.

Nachstehend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben.

Die einzige Figur zeigt in schematisierter Darstellung einen erfindungsgemäßen aktiven Rotationssensor.

Ein im Ganzen mit 100 bezeichneter aktiver Rotationssensor ist als Faserringlaser ausgebildet, bei welchem aktives Glasfasermaterial 3 und passives Glasfasermaterial 2 einander fortsetzend kombiniert sind. In der einzigen Figur erkennt man, dass die von dem als unterbrochene Linie gezeichneten aktiven Glasfasermaterial 3 nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen das passive Glasfasermaterial 2 verläuft, um insgesamt einen Ringresonator zu bilden. Dadurch können die von der aktiven Glasfaser 3 nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen ausgehenden Moden oder Frequenzen bei Gebrauch einander überlagert sein.

Für diese Überlagerung der nach entgegengesetzten Seiten oder Richtungen von dem aktiven Glasfasermaterial 3 ausgehenden Moden oder Frequenzen sind in den Faserstrang, im Ausführungsbeispiel im Verlauf des passiven Glasfasermaterials, optische Elemente, nämlich Faserkolimatoren 9 und 10 und ein Strahlteiler 11 eingebaut und zwar in einer im Ganzen mit 7 bezeichneten Detektionseinheit, an welcher man außerdem einen Spiegel 12 und einen Fotodetektor 13 erkennt.

Dabei ist in der Figur auch schematisiert dargestellt, dass der aus passivem Glasfasermaterial bestehende Faserstrang 2 für eine platzsparende Anordnung zu zwei Spulen 5 und 6 gewickelt ist, wobei jeweils beidseits des aktiven Fasermaterials 3 beziehungsweise der aktiven Glasfaser spiegelsymmetrisch jeweils eine Spule 5 und 6 aus passivem Fasermaterial angeordnet und dieses mit dem aktiven Fasermaterial 3 verbunden ist. Somit können Glasfasern 3 aus aktivem Fasermaterial und vor allem auch Glasfasern aus passivem Glasfasermaterial 2 in großer Länge platzsparend untergebracht werden.

Die schon erwähnte Überlagerung der beiden Moden ist im Bereich der Detektionseinheit 7 an einer Stelle angeordnet, die der Stelle der Erzeugung des Laserlichts an dem gesamten Faserring etwa gegenüber liegt, wobei dafür gesorgt ist, dass die Entfernungen von den Enden 3a des aktiven Fasermaterials 3 zu der Detektionsstelle beziehungsweise Detektionseinheit 7 gleich lang sind, wobei diese Entfernungen auch über die jeweiligen Windungen der Sensorspulen 5 und 6 gemessen sind.

Für die Energiezufuhr zu dem aktiven Glasfasermaterial 3 ist ein fasergekoppelter Diodenlaser 1 mit Koppler 1a vorgesehen, wie man es in der Zeichnung schematisiert aber deutlich erkennt. Dabei kann eine der passiven Glasfasern des Kopplers 1a mit der aktiven Glasfaser 3 verbunden sein, wie es die Zeichnung ebenfalls andeutet.

Man erkennt ferner im Bereich des passiven Glasfasermaterials - in der Zeichnung vor der Spule 5 - einen Faserfilter 4 zur Einengung des Emissionsspektrums des aktiven Glasfasermaterials 3.

Im Verlauf des passiven Glasfasermaterials 2 ist außerdem - im Ausführungsbeispiel zwischen der Spule 6 und dem Koppler 1a - ein Polarisationsdreher 8 angeordnet, damit das Laserlicht nach einem Umlauf wieder mit übereinstimmender Polarisation in den Bereich des aktiven Fasermaterials 3 eintreten und eine auf seinem Weg veränderte Polarisation rückgängig gemacht werden kann.

Die Länge der aktiven Glasfaser 3 kann dabei zum Beispiel zwischen fünf Meter und zehn Meter, bevorzugt etwa sieben Meter betragen. Die Länge der passiven Glasfaser 2 kann zum Beispiel in der Größenordnung von zweihundert Metern liegen, wobei jede der Spulen 5 und 6 in abgewickelter Form eine Länge von etwa hundert Meter haben kann.

An den Verbindungsstellen an den Enden 3a des aktiven Fasermaterials 3 können die aktive Glasfaser 3 und die passive Glasfaser 2 miteinander in bekannter Weise verschmolzen sein.

Es sei noch erwähnt, dass auch die aktive Faser 3 je nach den zur Verfügung stehenden Platzverhältnissen zu einer wenigstens eine oder mehrere Windungen aufweisenden platzsparenden Spule gewickelt sein könnte.

Der aktive Rotationssensor 100, der auch als Gyroskop zur Messung von Rotationsbewegungen bezeichnet werden kann, weist einen Ringresonator zur Erzeugung des Laserlichts auf und ist ein

Faserringlaser, bei welchem das aktive Glasfasermaterial 3 und passives Glasfasermaterial 2 einander fortsetzend und zu einem Ring zusammengefügt kombiniert sind. Dabei ist der Längenanteil des passiven Glasfasermaterials 2, welches die beiden Enden des aktiven Glasfasermaterials 3 verbindet, erheblich größer als die dieses aktiven Glasfasermaterials 3.