WO2014019676A2 - Ringlaserkreisel - Google Patents

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WO2014019676A2
WO2014019676A2 PCT/EP2013/002244 EP2013002244W WO2014019676A2 WO 2014019676 A2 WO2014019676 A2 WO 2014019676A2 EP 2013002244 W EP2013002244 W EP 2013002244W WO 2014019676 A2 WO2014019676 A2 WO 2014019676A2
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WO
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laser light
mirror
closed
single crystal
light path
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PCT/EP2013/002244
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WO2014019676A3 (de
Inventor
Thalke Niesel
Benedikt VON WULFEN
Original Assignee
Technische Universität Braunschweig Carolo-Wilhelmina
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Publication date
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Publication of WO2014019676A3 publication Critical patent/WO2014019676A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/721—Details
    • G01C19/722—Details of the mechanical construction
    • G—PHYSICS
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    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/72—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers
    • G01C19/727—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams with counter-rotating light beams in a passive ring, e.g. fibre laser gyrometers using a passive ring resonator

Definitions

  • the invention relates to a ring laser gyroscope having a laser light source for emitting laser light and at least three mirror elements, which are arranged such that they define a closed laser light path.
  • Ring laser gyros have been known in the art for a long time and are used in particular as a replacement for conventional mechanical gyros and gyroscopes. Ring laser gyros require a light source that emits coherent light as much as possible. Therefore, laser light sources are predestined for this type of application.
  • a beam splitter the laser light emitted by the laser light source is divided and directed in two opposing paths. At a suitable location in the beam path both beam directions are read together and brought to the interference.
  • Such a beam path or closed laser light path is defined, for example, by three mirror elements which respectively provide for a deflection of the laser light by 60 °, so that a closed laser light path results. Of course, embodiments with more than three mirror elements are conceivable and known.
  • the optical distances that must cover the two partial beams of the emitted laser light the same length, so that no phase shift occurs between the two partial light beams.
  • the ring laser gyro rotates, for example, about an axis of rotation which is perpendicular to the area enclosed by the closed laser light path, the optical path lengths of the two partial light beams change, resulting in a phase shift measurable in the interference image.
  • Ring laser gyro is available in different embodiments.
  • CONFIRMATION COPY The most common example is the construction as a helium-neon ring laser. However, several difficult to miniaturize modules must be used. By using a luminous gas, for example, the actual light path, in which the closed laser light path is defined, must be closed in a gas-tight manner and sufficiently secured against diffusion. In addition, isolated high voltage anodes and cathodes must point into the propagation space.
  • a solid-state laser such as the YAG crystal is used.
  • this type of ring laser gyro is also difficult to miniaturize, since such a solid laser emits its laser light undirected and also with fluctuating intensity.
  • further assemblies must be used within the closed laser light path, which may include, for example, movable mirrors and lenses.
  • Each of these elements provides additional reflections and internal attenuations, so that the emitted laser light can travel only a few revolutions on the closed laser light path. This reduces the quality and measurement accuracy of such a ring laser gyroscope.
  • a ring laser gyro uses, instead of a laser light path defined by a plurality of mirror elements, an optical waveguide which is applied, for example, wound or helically. This is a multiple traversing the same path, as is the case with generic mirror-based rotors, not provided.
  • a corresponding arrangement is known, for example, from US Pat. No. 6,885,456 B2.
  • US Pat. No. 7,511,821 B2 and US Pat. No. 5,412,475 B2 may be mentioned by way of example.
  • the individual mirror elements In order to be able to miniaturise mirror-based ring laser gyros, the individual mirror elements naturally have to be downsized. However, this makes the orientation and arrangement of the mirror elements problematic. In this case, the smallest deviations can lead to reflection errors, which possibly lead out the irradiated laser light from the closed laser light path and thus can cause the inoperability of the ring laser gyroscope. But even if this worst case does not occur, alignment, assembly and manufacturing errors of the individual mirrors lead to quality losses.
  • the present invention is therefore based on the object, a ring laser gyro further so that it is easy to miniaturize and yet the individual mirror elements can be easily, reproducibly and accurately arranged.
  • a method for producing corresponding mirror elements is to be proposed.
  • the invention achieves the stated object by a generic ring laser gyro, which is characterized in that at least one of the mirror elements is a double mirror having a first mirror surface and a second mirror surface and arranged such that laser light propagating along the closed laser light path, is reflected at the first mirror surface and at the second mirror surface.
  • a closed laser light path lying in one plane is defined by the at least three mirror elements. To ensure this, it is of course important that the mirror surface is exactly perpendicular to this plane. This can be achieved relatively easily and safely by appropriate processing methods. However, the orientation of the individual mirror elements relative to each other is of crucial importance. When using three mirror elements, it is essential for the closedness of the laser light path that the irradiated laser Serlicht meets as precisely as 60 ° to the respective mirror element. If, for example, four mirror elements are used to define the closed laser light path, the irradiated laser light must be radiated at an angle of 45 °.
  • a built-in or control error that has a pivoting of the mirror element about an axis perpendicular to the plane defined by the laser light path axis results in an angle error that accumulates with each revolution of the irradiated laser light to the laser light path and
  • a separate decoupling element for example a partially transparent mirror or beam splitter, may be provided.
  • a partially transparent mirror or beam splitter may be provided for decoupling the two partial light beams which are irradiated into the closed laser light path.
  • the laser light source is arranged outside the closed laser light path and the ring laser gyroscope has a coupling device which is arranged so that laser light emitted by the laser light source is coupled into the closed laser light path. This too is a measure that allows further miniaturization of the ring laser gyroscope.
  • the coupling device is only necessary to arrange the coupling device at least partially in the beam path or the closed laser light path in order to be able to couple the laser light emitted by the laser light source into the closed laser light path.
  • the actual laser light source does not even have to be arranged in the vicinity of the closed laser light path.
  • the laser light emitted by it can be transported, for example, by an optical conductor, for example a fiber optic cable, over a very large distance and led to the coupling device, by means of which it is coupled into the closed laser light path.
  • the actual gyroscope which mainly comprises the closed laser light path, can be further miniaturized.
  • Such ring laser gyroscopes have, for example, lens systems which collect light in addition to the external light source, filters which restrict wavelength ranges, beam splitters or further coupling elements.
  • the ring laser gyroscope for a variety of different applications can be used without the space required for the actual ring laser gyro increases significantly.
  • a particularly advantageous ring laser gyro has exactly three mirror elements. This is the minimum number of mirror elements to be used, so that in this way also the number of possible sources of error due to misalignments, orientations or manufacturing qualities are reduced. In addition, the space required for the ring laser gyroscope is reduced in this way.
  • a method for producing a double mirror for a ring laser gyroscope is characterized by the following steps: a) processing a single crystal such that a processing surface of the single crystal extends at a predetermined angle to a predetermined crystal plane of the single crystal; b) etching at least one depression into the one crystal Processing surface, wherein the at least one recess has at least one edge which runs along the predetermined crystal plane, and an edge line between the processing surface and the at least one edge results, c) connecting two thus processed single crystals each having at least one etched recess on the processing surfaces in such a way in that the edge lines lie against one another, d) producing the double mirror by severing the connected single crystals such that the flank of the one single crystal covers the first mirror surface and the flank of the second recess ristalls forms the second mirror surface.
  • the present invention makes use of the finding that recesses etched in single crystals have at least one flank which advantageously extends along a predetermined crystal plane of the respective single crystal.
  • the angle of the respective flank arises because different crystal lattice planes have different etching speeds. For example, in monocrystalline silicon it has been found that the (111) plane can be etched about 400 times slower than the (100) plane. In this way, these angles are very accurate and reproducible.
  • a processing surface of the single crystal must be at a predetermined angle to the predetermined crystal plane. This can be achieved, for example, by sawing or otherwise working the monocrystal at a certain angle. This results in a planar area that runs at the predetermined angle to the respective predetermined crystal plane. This area forms the processing surface.
  • At least one depression is etched into this processing surface in a second process step. Due to the different etching speeds along different crystal planes of the single crystal, this at least one depression has at least one flank extending along this predetermined crystal plane. This flank usually runs on the crystal plane, along which the lowest etching speed occurs. At the edge line between the processing surface and the at least one recess now forms the previously predetermined angle.
  • These two process steps are carried out with a plurality of single crystals or a single crystal is divided into at least two parts after etching the at least one recess. Two appropriately processed single crystals prepared in this way, each having at least one etched recess, are now connected to the processing surfaces. This can be done for example by a bonding.
  • the two single crystals are arranged in such a way that the respective edge lines between the two processing surfaces and the respective edges of the respective recess abut each other. Consequently, voids which may be open to the outside are formed in the monocrystals connected in this way, but in which the flanks of the depressions originally etched into two monocrystals rest against each other in such a way that the desired angle for the double mirror is created between them.
  • the double mirrors only have to be produced by dicing the single crystals so connected.
  • the desired double mirrors are formed in which the flank in the recess of the one single crystal forms the first mirror surface and the flank in the recess of the second single crystal forms the second mirror surface.
  • the machining surfaces are polished and / or ground before the etching of the at least one recess. This ensures that optimal positioning is possible when connecting the two single crystals and that no additional angle errors occur here.
  • this polishing and / or grinding of the processing surfaces would also be possible after the etching of the depression, but such a procedure has the disadvantages that the particularly evenly and smoothly etched flanks of the depressions are soiled with processing residues and thus impaired in their reflectivity can. Due to the fact that the etching speeds in Rieh tion of different crystal planes of the single crystals have significant differences, the flanks have a particularly high surface quality and thus an extremely good reflectivity and suitability as a mirror surface on.
  • the single crystals used are silicon monocrystals.
  • This material has a high reflectivity and is easy and easy to work with, making it particularly suitable for use as a dual mirror element.
  • FIG. 1 shows the schematic representation of a ring laser gyro according to a first embodiment of the present invention
  • Figure 1 shows the schematic representation of a ring laser gyro 1 according to a first embodiment of the present invention. It has a laser light source 2 through which laser light 4 can be emitted. This laser light 4 strikes a coupling device 6, which is shown only schematically as a semitransparent mirror in the embodiment shown.
  • the laser light emitted by the laser light source 2 is coupled into a closed laser light path 8.
  • This is formed by three mirror elements 10, which are formed in the embodiment shown as a double mirror.
  • Each of the mirror elements 10 has a first mirror surface 12 and a second mirror surface 14 arranged adjacently thereto.
  • the laser light 4, which was coupled into the closed laser light path 8 via the coupling device 6, will now be detected by the mirror surface 10 of the first mirror surface 12 and of the mirror surface 10 second mirror surface 14 is reflected.
  • the embodiment shown has the advantage that the closed position Also, in the case of the light path 8, one or more of the mirror elements 10 has an arrangement error caused by the fact that the corresponding mirror element 10 has been pivoted about an axis which is perpendicular to the image plane shown. Due to the nature of the dual mirrors, such an alignment and alignment error does not result in a resultant angular displacement, so that the closed laser light path 8 is valid and durable in this case as well.
  • the laser light 4 is split by the coupling device 6 also in two partial light beams, which pass through the closed laser light path 8 in opposite directions. Consequently, the second laser light beam is likewise reflected by the first mirror surface 12 and by the second mirror surface 14.
  • Figures 2a to 2d show different stages during the performance of a method for producing a double mirror according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 a shows a single crystal 16, which may be, for example, monocrystalline silicon. Schematically represented are crystal planes 18, which run at a known angle. It can be seen that a processing surface 20 extends at a predetermined angle ⁇ to the crystal planes 18. The angle ⁇ is 120 ° in the present example.
  • the processing surface 20 is formed, for example, by sawing or milling the single crystal 16 at a corresponding angle. After this production of the processing surface 20, which extends at a predetermined angle ⁇ to the crystal planes 18, the processing surface 20 can be reworked, for example by polishing or grinding and so be particularly flat.
  • FIG. 2b shows the single crystal 16 with the schematically illustrated crystal planes 18, in which a depression 22 has already been etched into the processing surface 20. Due to the different etching speeds along the different crystal planes, the recess 22 has an edge 24, which follows a crystal plane 18. The predetermined angle ⁇ is therefore now at an edge line 26 which extends between the processing surface 20 and the edge 24.
  • FIG. 2c shows two connected single crystals 16, with crystal planes 18 shown schematically.
  • the two single crystals are connected to one another at their processing surfaces 20, so that a cavity 28 is formed, which is formed by the two depressions 22 in the respective processing surfaces 20.
  • What is important about the orientation is that the edge lines 26 abut one another, so that a mirror angle ⁇ results between the two flanks 24 which is 360 degrees minus twice the predetermined angle ⁇ .
  • the mirror angle ⁇ is determined by the desired deflection which a laser light beam striking the mirror element 10 should experience.
  • FIG. 2 d shows the finished mirror element 10, which consists of two single crystals 16 with the schematically illustrated crystal planes 20.
  • the connected single crystals 16, as shown in FIG. 2c, are correspondingly cut, so that the mirror element 10 shown in FIG. 2d remains.
  • the two flanks 24 now form the first mirror surface 12 and the second mirror surface 14. Since they are formed by etching, they have a particularly high surface quality and reflectivity, so that they are particularly suitable for use as a mirror element 10 in a ring laser gyro 1 described here to be used.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel (1) mit einer Laserlichtquelle (2) zum Aussenden von Laserlicht (4) und wenigstens drei Spiegelelementen (10), die derart angeordnet sind, dass sie einen geschlossenen Laserlichtstrahl (8) definiert, wobei wenigstens eines der Spiegelelemente (10) ein Doppelspiegel ist, der eine erste Spiegelfläche (12) und eine zweite Spiegelfläche (14) aufweist und derart angeordnet ist, dass Laserlicht (4), das sich in einer ersten Richtung entlang des geschlossenen Laserlichtpfades (8) ausbreitet, zunächst an der ersten Spiegelfläche (12) und anschließend an der zweiten Spiegelfläche (14) reflektiert wird.

Description

Ringlaserkreisel
Die Erfindung betrifft einen Ringlaserkreisel mit einer Laserlichtquelle zum Aussenden von Laserlicht und wenigstens drei Spiegelelementen, die derart angeordnet sind, dass sie einen geschlossenen Laserlichtpfad definieren.
Ringlaserkreisel sind aus dem Stand der Technik seit langem bekannt und werden insbesondere als Ersatz für herkömmliche mechanische Kreisel und Gyrometer verwendet. Ringlaserkreisel benötigen eine Lichtquelle, die möglichst kohärentes Licht aussendet. Daher sind Laserlichtquellen für diese Art der Anwendung prädestiniert. Über beispielsweise einen Strahlteiler wird das von der Laserlichtquelle ausgesandte Laserlicht geteilt und in zwei gegenläufige Bahnen gelenkt. An geeigneter Stelle im Strahlengang werden beide Strahlrichtungen gemeinsam ausgelesen und zur Interferenz gebracht. Ein derartiger Strahlengang oder abgeschlossener Laserlichtpfad wird beispielsweise durch drei Spiegelelemente definiert, die jeweils für eine Ablenkung des Laserlichts um 60° sorgen, so dass ein geschlossener Laserlichtpfad entsteht. Natürlich sind auch Ausführungsformen mit mehr als drei Spiegelelementen denkbar und bekannt.
Für den Fall, dass der Ringlaserkreisel nicht rotiert, sind die optischen Wegstrecken, die die beiden Teilstrahlen des ausgesandten Laserlichts zurücklegen müssen, gleich lang, so dass zwischen den beiden Teillichtstrahlen keine Phasenverschiebung auftritt. Rotiert der Ringlaserkreisel jedoch beispielsweise um eine Rotationsachse, die senkrecht zu der durch den geschlossenen Laserlichtpfad eingeschlossenen Fläche liegt, verändern sich die optischen Weglängen der beiden Teillichtstrahlen, so dass es zu einer Phasenverschiebung kommt, die im Interferenzbild messbar ist.
Ringlaserkreisel gibt es in unterschiedlichen Ausführungsformen. Eine der
BESTÄTIGUNGSKOPIE gängigsten ist beispielsweise der Aufbau als Helium-Neon-Ringlaser. Dabei müssen jedoch mehrere nur schwer miniaturisierbare Baugruppen verwendet werden. Durch die Verwendung eines leuchtenden Gases muss beispielsweise der eigentliche Lichtgang, in dem der geschlossene Laserlichtpfad definiert ist, gasdicht abgeschlossen und gegen Diffusion ausreichend gesichert sein. Zudem müssen isolierte Hochspannungsanoden- und kathoden in den Ausbreitungsraum zeigen.
In anderen Ausgestaltungen wird statt des leuchtenden Gases ein Fest- stofflaser, wie beispielsweise der YAG-Kristall verwendet. Dadurch entfallen die Hochspannungen direkt am Lichtgang und die Notwendigkeit der Gasdichtigkeit und die Bewegung der enthaltenen Gasfüllung. Dennoch ist auch diese Art des Ringlaserkreisels nur schwer zu miniaturisieren, da ein derartiger Feststofflaser sein Laserlicht ungerichtet und zudem mit schwankender Intensität emitiert. Dies bedingt, dass weitere Baugruppen innerhalb des geschlossenen Laserlichtpfades zum Einsatz kommen müssen, die beispielsweise bewegliche Spiegel und Linsen umfassen können. Jedes dieser Elemente sorgt für zusätzliche Reflektionen und innere Dämpfungen, so dass das ausgesandte Laserlicht nur wenige Umdrehungen auf dem geschlossenen Laserlichtpfad zurücklegen kann. Dadurch wird die Qualität und Messgenauigkeit eines derartigen Ringlaserkreisels reduziert. Zudem ist auch dieser Aufbau durch die verwendeten zusätzlichen Baugruppen nur schwer zu miniaturisieren. Eine alternative Ausgestaltung eines Ringlaserkreisels verwendet statt einem durch mehrere Spiegelelemente definierten Laserlichtpfad einen Lichtwellenleiter, der beispielsweise gewickelt oder schneckenförmig aufgebracht wird. Damit ist ein mehrfaches Durchlaufen desselben Weges, wie dies bei gattungsgemäßen spiegelbasierten Kreiseln der Fall ist, nicht vorgesehen. Eine entsprechende Anordnung ist beispielsweise aus der US 6,885,456 B2 bekannt. Für spiegelbasierte Ringlaserkreisel seien beispielhaft die US 7,511 ,821 B2 und die US 5,412,475 B2 genannt. Um spiegelbasierte Ringlaserkreisel miniaturisieren zu können, müssen naturgemäß die einzelnen Spiegelelemente verkleinert werden. Dies macht jedoch die Ausrichtung und Anordnung der Spiegelelemente problematisch. Dabei können kleinste Abweichungen zu Reflektionsfehlern führen, die gegebenenfalls das eingestrahlte Laserlicht aus dem geschlossenen Laserlichtpfad herausleiten und so die Funktionsunfähigkeit des Ringlaserkreisels hervorrufen können. Doch selbst wenn dieser schlimmste Fall nicht eintritt, führen Ausrichtungs,- Anordnungs- und Fertigungsfehler der einzelnen Spiegel zu Qualitätseinbußen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Ringlaserkreisel so weiterzuentwickeln, dass er einfach miniaturisierbar ist und dennoch die einzelnen Spiegelelemente einfach, reproduzierbar und genau angeordnet werden können. Zudem soll ein Verfahren zum Herstellen entsprechender Spiegelelemente vorgeschlagen werden.
Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch einen gattungsgemäßen Ringlaserkreisel, der sich dadurch auszeichnet, dass wenigstens eines der Spiegelelemente ein Doppelspiegel ist, der eine erste Spiegelfläche und eine zweite Spiegelfläche aufweist und derart angeordnet ist, dass Laserlicht, das sich entlang des geschlossenen Laserlichtpfades ausbreitet, an der ersten Spiegelfläche und an der zweiten Spiegelfläche reflektiert wird.
Bei herkömmlichen spiegelbasierten Ringlaserkreiseln wird durch die wenigstens drei Spiegelelemente ein geschlossener Laserlichtpfad definiert, der in einer Ebene liegt. Um dieses zu gewährleisten, ist es naturgemäß wichtig, dass die Spiegelfläche genau senkrecht zu dieser Ebene steht. Dies ist durch entsprechende Bearbeitungsmethoden relativ einfach und sicher erreichbar. Jedoch auch die Ausrichtung der einzelnen Spiegelelemente relativ zueinander ist von entscheidender Bedeutung. Bei der Verwendung von drei Spiegelelementen ist es für die Geschlossenheit des Laserlichtpfades von essentieller Wichtigkeit, dass das eingestrahlte La- serlicht unter möglichst genau 60° auf das jeweilige Spiegelelement trifft. Werden beispielsweise vier Spiegelelemente verwendet, um den geschlossenen Laserlichtpfad zu definieren, muss das eingestrahlte Laserlicht in einem Winkel von 45° eingestrahlt werden. Ein Einbau- oder Regelfehler, der eine Verschwenkung des Spiegelelementes um eine senkrecht zur durch den Laserlichtpfad definierten Fläche verlaufende Achse zur Folge hat, führt zu einem Winkelfehler, der sich mit jedem Umlauf des eingestrahlten Laserlichtes um den Laserlichtpfad aufsummiert und
schlimmstenfalls dazu führt, dass das eingestrahlte Laserlicht nach einer endlichen Anzahl von Umläufen den geschlossenen Laserlichtpfad verläset. Diesem Fehler kann durch das erfindungsgemäße Vorsehen von Doppelspiegeln als Spiegelelement begegnet werden. Ein hier beschriebener Hochachsenfehler, bei dem der Fehler in einer Verschwenkung des Spiegelelementes um eine Achse liegt, die senkrecht zur durch den geschlossenen Laserlichtpfad definierten Fläche liegt, führt bei einem Doppelspiegel nicht zu einem Ref lektionsfehler, so dass derartige Doppelspiegel als Spiegelelemente nicht so genau ausgerichtet werden müssen, wie dies bei herkömmlichen Einzelspiegelelementen der Fall ist. Dadurch lassen sich auch kleine und kleinste Spiegelelemente so positionieren, dass der geschlossene Laserlichtpfade von eingestrahltem Laserlicht auch nach einer großen Zahl von Umläufen nicht verlassen wird.
Als besonders vorteilhaft hat sich dabei herausgestellt, wenn alle Spiegelelemente Doppelspiegel sind. Dadurch werden Winkelfehler bei sämtlichen Spiegelelementen verhindert, so dass ein sehr genau, da mit vielen Umläufen des eingestrahlten Laserlichts arbeitender Ringlaserkreisel herstellbar ist, der sehr gut miniaturisierbar ist.
Zum Auskoppeln der beiden Teillichtstrahlen, die in den geschlossenen Laserlichtpfad eingestrahlt werden, kann ein separates Auskoppelelement, beispielsweise ein teildurchlässiger Spiegel oder Strahlteiler vorgesehen sein. Damit ist es nicht mehr nötig, einen der Spiegel halbdurchlässig aus- zugestalten, sondern alle Spiegelelemente können in der vorteilhaften Ausgestaltung als Doppelspiegel ausgebildet werden. In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Ringlaserkreisels ist die Laserlichtquelle außerhalb des geschlossenen Laserlichtpfades angeordnet und der Ringlaserkreisel weist eine Einkoppeleinrichtung auf, die so angeordnet ist, dass von der Laserlichtquelle ausgesandtes Laserlicht in den geschlossenen Laserlichtpfad eingekoppelt wird. Auch dies ist eine Maßnahme, die eine weitere Miniaturisierung des Ringlaserkreisels ermöglicht. Anders als bei den aus dem Stand der Technik bekannten Ausgestaltungen, bei denen ein Gas- oder Feststofflaser direkt im geschlossenen Laserlichtpfad angeordnet ist, und so eine Minimalausdehnung des geschlossenen Laserlichtpfades definiert, ist dies bei der hier beschriebenen Ausgestaltung nicht nötig. Es muss lediglich die Einkoppeleinrichtung zumindest teilweise im Strahlengang bzw. dem geschlossenen Laserlichtpfad angeordnet sein, um das von der Laserlichtquelle ausgesandte Laserlicht in den geschlossenen Laserlichtpfad einkoppeln zu können. Dies hat zur Folge, dass die eigentliche Laserlichtquelle nicht einmal in der Nähe des geschlossenen Laserlichtpfades angeordnet sein muss. Das von ihr ausgesandte Laserlicht kann beispielsweise durch einen optischen Leiter, beispielsweise ein Glasfaserkabel, über eine sehr große Strecke transportiert und zur Einkoppeleinrichtung geführt werden, durch die es in den geschlossenen Laserlichtpfad eingekoppelt wird.
Damit ist es möglich, Schwankungen der Laserlichtintensität oder Strahl- aufweitungen oder andere Störungen und Ungenauigkeiten des Laserlichtes zu kompensieren und zu korrigieren, bevor das Laserlicht in den geschlossenen Laserlichtpfad eingekoppelt wird. Durch diese externe Vorbereitung des einzustrahlenden Laserlichts kann der eigentliche Kreisel, der hauptsächlich den geschlossenen Laserlichtpfad umfasst, weiter miniaturisiert werden. Derartige Ringlaserkreisel weisen beispielsweise neben der externen Lichtquelle sammelnde Linsensysteme, Wellenlängenbereiche einschränkende Filter, Strahlteiler oder weitere Kopplungselemente auf. Dadurch wird der Ringlaserkreisel für eine Vielzahl unterschiedlicher Anwendungen einsetzbar, ohne dass der Platzbedarf für den eigentlichen Ringlaserkreisel nennenswert steigt.
Ein besonders vorteilhafter Ringlaserkreisel weist genau drei Spiegelelemente auf. Dies ist die minimale Anzahl der zu verwendeten Spiegelelemente, so dass auf diese Weise auch die Anzahl der möglichen Fehlerquellen durch Fehlausrichtungen-, -Orientierungen oder Fertigungsqualitäten reduziert werden. Zudem wird auf diese Weise auch der benötigte Bauraum für den Ringlaserkreisel reduziert.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen eines Doppelspiegels für einen Ringlaserkreisel zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: a) Bearbeiten eines Einkristalls so, dass eine Bearbeitungsoberfläche des Einkristalls in einem vorbestimmten Winkel zu einer vorbestimmten Kristallebene des Einkristalls verläuft, b) Einätzen wenigstens einer Vertiefung in die Bearbeitungsoberfläche, wobei die wenigstens eine Vertiefung wenigstens eine Flanke aufweist, die entlang der vorbestimmten Kristallebene verläuft, und sich eine Kantenlinie zwischen der Bearbeitungsoberfläche und der wenigstens einen Flanke ergibt, c) Verbinden zweier derart bearbeitete Einkristalle mit jeweils wenigstens einer eingeätzten Vertiefung an den Bearbeitungsoberflächen derart, dass die Kantenlinien aneinander anliegen, d) Herstellen des Doppelspiegels durch Zertrennen der verbundenen Einkristalle derart, dass die Flanke des einen Einkristalls die erste Spiegelfläche und die Flanke des zweiten Einkristalls die zweite Spiegelfläche bildet. Die vorliegende Erfindung macht sich die Erkenntnis zu nutze, dass Vertiefungen, die in Einkristalle eingeätzt werden, wenigstens eine Flanke aufweisen, die vorteilhafterweise entlang einer vorbestimmten Kristallebene des jeweiligen Einkristalls verläuft. Der Winkel der jeweiligen Flanke entsteht dadurch, dass unterschiedliche Kristallgitterebenen unterschiedliche Ätzgeschwindigkeiten aufweisen. So ist beispielsweise bei monokristallinem Silizium festgestellt worden, dass die (111)-Ebene etwa 400-mal langsamer als die (100)-Ebene geätzt werden kann. Auf diese Weise sind diese Winkel sehr exakt und reproduzierbar.
Der Winkel, in dem bestimmte Kristallebenen zueinander verlaufen, ist jedoch durch die Kristallstruktur des jeweiligen Einkristalls festgelegt. Um den gewünschten Winkel eines Doppelspiegels, den es herzustellen gilt, zu erreichen, muss daher eine Bearbeitungsoberfläche des Einkristalls in einem vorbestimmten Winkel zu der vorbestimmten Kristallebene verlaufen. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Einkristall in einem bestimmten Winkel zersägt oder auf andere Weise bearbeitet wird. Dadurch entsteht ein flächiger Bereich, der in dem vorbestimmten Winkel zu der jeweils vorbestimmten Kristallebene verläuft. Dieser flächige Bereich bildet die Bearbeitungsoberfläche.
In diese Bearbeitungsoberfläche wird nun in einem zweiten Verfahrensschritt wenigstens eine Vertiefung eingeätzt. Aufgrund der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten entlang unterschiedlicher Kristallebenen des Einkristalls weist diese wenigstens eine Vertiefung wenigstens eine Flanke auf, die entlang dieser vorbestimmten Kristallebene verläuft. Dabei verläuft diese Flanke zumeist an der Kristallebene, entlang derer sich die geringste Ätzgeschwindigkeit aufbildet. An der Kantenlinie zwischen der Bearbeitungsoberfläche und der wenigstens einen Vertiefung bildet sich nun der zuvor vorbestimmte Winkel aus. Diese beiden Verfahrensschritte werden mit mehreren Einkristallen durchgeführt oder ein Einkristall wird nach dem Einätzen der wenigstens einen Vertiefung in mindestens zwei Teile zerteilt. Zwei so hergestellte entsprechend bearbeitete Einkristalle, die jeweils wenigstens eine eingeätzte Vertiefung aufweisen, werden nun an den Bearbeitungsoberflächen verbunden. Dies kann beispielsweise durch ein Bonding geschehen. Dabei ist wichtig, dass die beiden Einkristalle derart aneinander angeordnet werden, dass die jeweiligen Kantenlinien zwischen den beiden Bearbeitungsoberflächen und den jeweiligen Flanken der jeweiligen Vertiefung aneinander anliegen. In den so verbundenen Einkristallen bilden sich nun folglich Hohlräume, die gegebenenfalls nach außen offen sind, bei denen jedoch nun die Flanken der ursprünglich in zwei Einkristalle eingeätzten Vertiefungen so aneinander anliegen, dass zwischen ihnen der gewünschte Winkel für den Doppelspiegel entsteht.
In einem letzten Verfahrensschritt müssen die Doppelspiegel nur noch durch Zertrennen der so verbundenen Einkristalle hergestellt werden. Auf diese Weise entstehen die gewünschten Doppelspiegel, bei denen die Flanke in der Vertiefung des einen Einkristalls die erste Spiegelfläche und die Flanke in der Vertiefung des zweiten Einkristalls die zweite Spiegelfläche bildet.
Vorteilhafterweise werden die Bearbeitungsoberflächen vor dem Einätzen der wenigstens einen Vertiefung poliert und/oder geschliffen. Damit ist gewährleistet, dass beim Verbinden der beiden Einkristalle eine optimale Positionierung möglich ist und es hier nicht zu zusätzlichen Winkelfehlern kommt. Prinzipiell wäre dieses Polieren und/oder Schleifen der Bearbeitungsoberflächen auch nach dem Ätzen der Vertiefung möglich, ein derartiges Vorgehen weist jedoch die Nachteile auf, dass die besonders ebenmäßig und glatt geätzten Flanken der Vertiefungen auf diese Weise mit Bearbeitungsrückständen verschmutzt und so in ihrer Reflektivität beeinträchtigt werden können. Dadurch, dass die Ätzgeschwindigkeiten in Rieh- tung unterschiedlicher Kristallebenen der Einkristalle deutliche Unterschiede aufweisen, weisen die so entstandenen Flanken eine besonders hohe Oberflächengüte und damit eine extrem gute Reflektivität und Eignung als Spiegeloberfläche auf.
Vorteilhafterweise handelt es sich bei den verwendeten Einkristallen um Silizium-Einkristalle. Dieses Material weist eine hohe Reflektivität auf und ist einfach und gut zu bearbeiten, so dass es sich für die Verwendung als Doppelspiegelelement besonders gut eignet.
Mit Hilfe von Zeichnungen wird nachfolgend ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 die schematische Darstellung eines Ringlaserkreisels gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
Figuren
2a bis 2d unterschiedliche Schritte während der Durchführung eines
Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figur 1 zeigt die schematische Darstellung eines Ringlaserkreisels 1 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Er verfügt über eine Laserlichtquelle 2, durch die Laserlicht 4 ausgesandt werden kann. Dieses Laserlicht 4 trifft auf eine Einkoppeleinrichtung 6, die im gezeigten Ausführungsbeispiel nur schematisch als halbdurchlässiger Spiegel dargestellt ist.
Durch diese Einkoppeleinrichtung 6 wird das von der Laserlichtquelle 2 ausgesandte Laserlicht in einen geschlossenen Laserlichtpfad 8 eingekoppelt. Dieser wird durch drei Spiegelelemente 10 gebildet, die im gezeigten Ausführungsbeispiel als Doppelspiegel ausgebildet sind.
Jedes der Spiegelelemente 10 verfügt über eine erste Spiegelfläche 12 und eine benachbart dazu angeordnete zweite Spiegelfläche 14. Das Laserlicht 4, das über die Einkoppeleinrichtung 6 in den geschlossenen Laserlichtpfad 8 eingekoppelt wurde, wird nun bei jedem Spiegelelement 10 von der ersten Spiegelfläche 12 und von der zweiten Spiegelfläche 14 reflektiert.
Die gezeigte Ausführungsform hat den Vorteil, dass der geschlossene La- serlichtpfad 8 auch für den Fall Bestand hat, dass eines oder mehrere der Spiegelelemente 10 einen Anordnungsfehler aufweist, der dadurch hervorgerufen wird, dass das entsprechende Spiegelelement 10 um eine Achse verschwenkt angeordnet wurde, die senkrecht zur gezeigten Bildebene verläuft. Durch die Natur der Doppelspiegel führt ein derartiger Anordnungs- und Ausrichtungsfehler nicht zu einer resultierenden Winkelverschiebung, so dass der geschlossene Laserlichtpfad 8 auch in diesen Fall gültig ist und Bestand hat.
In Figur 1 wird das Laserlicht 4 durch die Einkoppeleinrichtung 6 zudem in zwei Teillichtstrahlen aufgespalten, die den geschlossenen Laserlichtpfad 8 in entgegengesetzten Richtungen durchlaufen. Der zweite Laserlichteilstrahl wird folglich ebenfalls von der ersten Spiegelfläche 12 und von der zweiten Spiegelfläche 14 reflektiert.
Die Figuren 2a bis 2d zeigen unterschiedliche Stadien während des Durchführens eines Verfahrens zum Herstellen eines Doppelspiegels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
Figur 2a zeigt einen Einkristall 16, bei dem es sich beispielsweise um monokristallines Silizium handeln kann. Schematisch dargestellt sind Kristallebenen 18, die in einem bekannten Winkel verlaufen. Man erkennt, dass eine Bearbeitungsoberfläche 20 in einem vorbestimmten Winkel γ zu den Kristallebenen 18 verläuft. Der Winkel γ ist im vorliegenden Beispiel 120°.
Die Bearbeitungsoberfläche 20 entsteht beispielsweise durch Zersägen oder Fräsen des Einkristalls 16 in einem entsprechenden Winkel. Nach diesem Herstellen der Bearbeitungsoberfläche 20, die im vorbestimmten Winkel γ zu den Kristallebenen 18 verläuft, kann die Bearbeitungsoberfläche 20 beispielsweise durch Polieren oder Schleifen nachbearbeitet werden und so besonders eben ausgebildet werden. Figur 2b zeigt den Einkristall 16 mit den schematisch dargestellten Kristallebenen 18, bei dem bereits eine Vertiefung 22 in die Bearbeitungsoberfläche 20 eingeätzt wurde. Aufgrund der unterschiedlichen Ätzgeschwindigkeiten entlang der unterschiedlichen Kristallebenen verfügt die Vertiefung 22 über eine Flanke 24, die einer Kristallebene 18 folgt. Der vorbestimmte Winkel γ befindet sich nun folglich an einer Kantenlinie 26, die zwischen der Bearbeitungsoberfläche 20 und der Flanke 24 verläuft.
Figur 2c zeigt zwei verbundene Einkristalle 16, mit schematisch dargestellten Kristallebenen 18. Die beiden Einkristalle sind an ihren Bearbeitungsoberflächen 20 miteinander verbunden, so dass sich nun ein Hohlraum 28 bildet, der durch die beiden Vertiefungen 22 in den jeweiligen Bearbeitungsoberflächen 20 gebildet wird. Wichtig an der Ausrichtung ist, dass die Kantenlinien 26 aneinander anliegen, so dass sich ein Spiegelwinkel α zwischen den beiden Flanken 24 ergibt, der 360 Grad minus zweimal den vorbestimmten Winkel γ beträgt. Der Spiegelwinkel α wird bestimmt durch die gewünschte Ablenkung, die ein Laserlichtstrahl, der auf das Spiegelelement 10 trifft, erfahren soll.
Figur 2d zeigt das fertige Spiegelelement 10, das aus zwei Einkristallen 16 mit den schematisch dargestellten Kristallebenen 20 besteht. Die verbundenen Einkristalle 16, wie sie in Figur 2c dargestellt sind, werden entsprechend zerteilt, so dass das in Figur 2d dargestellte Spiegelelement 10 übrig bleibt. Die beiden Flanken 24 bilden nun die erste Spiegelfläche 12 und die zweite Spiegelfläche 14. Da sie durch Ätzen entstanden sind, weisen sie eine besonders hohe Oberflächengüte und Reflektivität auf, so dass sie besonders geeignet sind, um in einem hier beschriebenen Ringlaserkreisel 1 als Spiegelelement 10 verwendet zu werden. Bezugszeichenliste
Y Vorbestimmter Winkel α Spiegelwinkel
1 Ringlaserkreisel
2 Laserlichtquelle
4 Laserlicht
6 Einkoppeleinrichtung
8 Geschlossener Laserlichtpfad
10 Spiegelelement
12 Erste Spiegelfläche
14 Zweite Spiegelfläche
16 Einkristall
18 Kristallebene
20 Bearbeitungsoberfläche
22 Vertiefung
24 Flanke
26 Kantenlinie
28 Hohlraum

Claims

Patentansprüche:
1. Ringlaserkreisel (1) mit
einer Laserlichtquelle (2) zum Aussenden von Laserlicht (4) und wenigstens drei Spiegelelementen (10), die
derart angeordnet sind, dass sie einen geschlossenen Laserlichtpfad (8) definiert, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eines der Spiegelelemente (10) ein Doppelspiegel ist, der eine erste Spiegelfläche (12) und
eine zweite Spiegelfläche (14) aufweist und
derart angeordnet ist, dass Laserlicht (4), das sich in einer ersten
Richtung entlang des geschlossenen Laserlichtpfades (8) ausbreitet, zunächst an der ersten Spiegelfläche (12) und anschließend an der zweiten Spiegelfläche (14) reflektiert wird.
2. Ringlaserkreisel (1) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle Spiegelelemente (10) Doppelspiegel sind.
3. Ringlaserkreisel (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Laserlichtquelle (2) außerhalb des geschlossenen Laserlichtpfades (8) angeordnet ist und der Ringlaserkreisel (1) eine Einkoppeleinrichtung (6) aufweist, die so angeordnet ist, dass von der Laserlichtquelle (2) ausgesandtes Laserlicht (4) in den geschlossenen Laserlichtpfad (8) eingekoppelt wird.
4. Ringlaserkreisel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch genau drei Spiegelelemente (10). Verfahren zum Herstellen eines Doppelspiegels für einen Ringlaserkreisel (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bearbeiten eines Einkristalls (16) so, dass eine Bearbeitungsoberfläche (20) des Einkristalls (16) in einem vorbestimmten Winkel γ zu einer vorbestimmte Kristallebene
(18) des Einkristalls (16) verläuft, b) Einätzen wenigstens einer Vertiefung (22) in die Bearbeitungsoberfläche (20), wobei die wenigstens eine Vertiefung (22) wenigstens eine Flanke (24) aufweist, die entlang der vorbestimmten Kristallebene (18) verläuft, und sich eine Kantenlinie (26) zwischen der Bearbeitungsoberfläche (20) und der wenigstens einen Flanke (24) ergibt, c) Verbinden zweier derart bearbeiteter Einkristalle (16) mit jeweils wenigstens einer eingeätzten Vertiefung (22) an den Bearbeitungsoberflächen (20) derart, dass die Kantenlinien (26) aneinander anliegen, d) Herstellen des Doppelspiegels durch Zertrennen der verbundenen Einkristalle (16) derart, dass die Flanke (24) des einen Einkristalls (16) die erste Spiegelfläche (12) und die Flanke (24) des zweiten Einkristalls (16) die zweite Spiegelfläche (14) bildet.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bearbeitungsoberfläche (20) vor dem Einätzen der mindestens einen Vertiefung (22) poliert und/oder geschliffen wird.
7. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Einkristall (16) um einen Silizium-Einkristall handelt.
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