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Dokumentenidentifikation DE102005012158A1 31.05.2007
Titel In der blinden Zone stabilisierter Festkörper-Laserkreisel
Anmelder Thales, Neuilly sur Seine, FR
Erfinder Schwartz, Sylvain, Paris, FR;
Feugnet, Gilles, Les Ulis, FR;
Pocholle, Jean Paul, La Norville, FR
Vertreter Prinz und Partner GbR, 80335 München
DE-Anmeldedatum 16.03.2005
DE-Aktenzeichen 102005012158
Offenlegungstag 31.05.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 31.05.2007
IPC-Hauptklasse G01C 19/66(2006.01)A, F, I, 20050316, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01P 3/36(2006.01)A, L, I, 20050316, B, H, DE   
Zusammenfassung Das Gebiet der Erfindung ist das der Festkörper-Laserkreisel, die zur Messung der relativen Rotationsgeschwindigkeiten oder Winkelpositionen verwendet werden. Derartige Geräte werden insbesondere bei Fluganwendungen verwendet.
Aufgabe der Erfindung ist die Vervollständigung der optischen Vorrichtungen, die für die Steuerung der Instabilität der Laser durch spezifische optische Vorrichtungen zur Eliminierung der Blindenzone benötigt werden.
Man erhält so einen Festkörper-Laser "ganz optisch" ohne bewegliche Teile, der stabil ist und keine blinde Zone aufweist.
Diese Vorrichtungen enthalten insbesondere optische Drehelemente (6, 9) mit nicht reziprokem Effekt und solche (5, 8) mit reziprokem Effekt, die in solcher Weise angeordnet sind, daß die zwei gegenläufigen optischen Moden in der Kavität (1) mit Frequenzen umlaufen, die ausreichend verschieden sind, um die Kopplung der Moden zu vermeiden.

Beschreibung[de]

Das Gebiet der Erfindung ist das der Festkörper-Laserkreisel (Gyrolaser), die zur Messung der relativen Rotationsgeschwindigkeiten oder relativen Winkelpositionen verwendet werden. Derartiges Gerät wird insbesondere bei Fluganwendungen eingesetzt.

Der Laserkreisel (Gyrolaser), der vor etwa dreißig Jahren entwickelt wurde, ist im Handel weit verbreitet und findet heutzutage breite Anwendung. Sein Funktionsprinzip beruht auf dem Sagnac-Effekt, der eine Frequenzdifferenz &OHgr; zwischen den zwei sich in entgegengesetztem Sinn ausbreitenden bzw. gegenläufigen optischen Sendemoden einer bidirektionalen ringförmigen Laserkavität einführt, die eine Drehbewegung ausführt. In herkömmlicher Weise ist diese Frequenzdifferenz &OHgr; gleich: &OHgr; = 4Aϖ/&lgr;L, worin L die Länge und A die Fläche der Kavität ist; &lgr; ist die Laser-Sendewellenlänge ohne Sagnac-Effekt; ϖ ist die Winkelgeschwindigkeit des Laserkreisels.

Die Messung von &OHgr; durch Spektralanalyse der Schwebung der beiden Sendestrahlen ergibt die Kenntnis des Wertes von ϖ mit sehr hoher Genauigkeit.

Die elektronische Zählung der Schwebungslinien, die während einer Winkelpositionsänderung durchlaufen, ermöglicht die Kenntnis des Relativwertes der Winkelposition ebenfalls mit sehr großer Genauigkeit.

Die Verwirklichung von Laserkreiseln geht mit einigen technischen Schwierigkeiten einher. Eine erste Schwierigkeit beruht auf der Qualität der Schwebung zwischen den zwei Strahlen, wodurch die gute Funktion des Lasers bestimmt wird. Eine gute Stabilität und eine relative Gleichheit der in beiden Richtungen ausgesendeten Intensitäten ist nämlich erforderlich, um eine korrekte Schwebung zu erzielen. Bei Festkörperlasern sind diese Stabilität und diese Gleichheit wegen des Phänomens der Modenkonkurrenz nicht gegeben; dieses Phänomen führt dazu, daß eine der zwei gegenläufigen Moden dazu neigt, den verfügbaren Gewinn auf Kosten der anderen Mode zu monopolisieren. Das Problem der bidirektionalen Sendestabilität für einen Festkörper-Ringlaser kann durch Einführung einer Gegenkopplungsschleife gelöst werden, deren Aufgabe es ist, die Differenz zwischen den Intensitäten der beiden gegenläufigen Moden um einen festen Wert auszuregeln. Diese Schleife wirkt auf den Laser entweder in der Weise ein, daß seine Verluste von der Ausbreitungsrichtung abhängen, beispielsweise mittels eines Elements reziproker Drehung, eines Elements mit nicht reziproker Drehung und eines polarisierenden Elements (Patentanmeldung Nr. 03 03645), oder dadurch, daß sein Gewinn von der Ausbreitungsrichtung abhängig gemacht wird, z.B. mittels eines Elements mit reziproker Drehung, eines Elements mit nicht reziproker Drehung und eines Kristalls mit polarisierter Emission (Patentanmeldung Nr. 03 14598). Mit dieser Regelung sendet der Laser zwei gegenläufige Strahlen aus, deren Intensitäten stabil sind, so daß er als Laserkreisel bzw. Gyrolaser verwendet werden kann.

Eine zweite technische Schwierigkeit hängt mit dem Bereich geringer Drehgeschwindigkeiten zusammen, da der Laserkreisel nur oberhalb einer bestimmten Drehgeschwindigkeit korrekt arbeitet. Bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten verschwindet das Sagnac-Schwebungssignal aufgrund einer Kopplung zwischen den zwei gegenläufigen Moden, die auf der Rückstreuung des Lichtes an den verschiedenen in der Kavität enthaltenen optischen Elementen beruht. Der Bereich niedriger Umdrehungsgeschwindigkeiten, bei denen dieses Phänomen auftritt, wird gemeinhin als blinde Zone bezeichnet, und er entspricht einer typischen Schwebungsfrequenz von einigen 10 kHz. Dieses Problem ist nicht ein solches der Verwendung von Festkörpern. Es tritt auch im Bereich der Gas-Laserkreisel auf. Die am häufigsten für letzteren Typ von Laserkreisel verwendete Lösung besteht darin, die Vorrichtung mechanisch zu aktivieren, indem ihr eine bekannte Zwangsbewegung aufgegeben wird, die sie künstlich so oft wie möglich aus der blinden Zone herausbewegt.

Gegenstand der Erfindung ist die Vervollständigung der optischen Vorrichtungen, die für die Kontrolle der Instabilität der Festkörperlaser erforderlich sind, durch spezielle optische Vorrichtungen, die es ermöglichen, die blinde Zone zu eliminieren. Man erhält so einen Festkörperlaser, der „ganz optisch" ist, ohne bewegliche Teile auskommt, stabil ist und keine blinde Zone hat.

Im besonderen hat die Erfindung einen Laserkreisel zum Gegenstand, der die Messung der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelposition bezüglich einer bestimmten Drehachse ermöglicht und wenigstens enthält:

  • • eine ringförmige optische Kavität;
  • • ein Festkörper-Verstärkermedium;
  • • eine Regelvorrichtung, die wenigstens eine erste optische Gruppe umfaßt, die aus einem ersten linearen Polarisator, einem ersten optischen Drehelement mit nicht reziprokem Effekt und einem optischen Element gebildet ist, wobei dieses Element entweder ein optisches Drehelement mit reziprokem Effekt oder ein doppelbrechendes Element ist, wobei wenigstens einer der Effekte oder die Doppelbrechung einstellbar ist;
  • • und eine Meßvorrichtung;

    dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität ferner umfaßt:
  • • eine zweite optische Gruppe, die gebildet ist aus einer Aufeinanderfolge eines ersten Viertelwellenlängenplättchens, eines zweiten optischen Drehelements mit nicht reziprokem Effekt und eines zweiten Viertelwellenlängenplättchens, deren Hauptachsen senkrecht zu denen des ersten Viertelwellenlängenplättchens sind;
in solcher Weise, daß eine erste linearpolarisierte Ausbreitungsmode sich in der Kavität in einem ersten Sinn ausbreiten kann und eine zweite linear parallel zur ersten Mode polarisierte Ausbreitungsmode sich in entgegengesetztem Sinne in der Kavität ausbreiten kann, wobei die Hauptachsen des ersten Viertelwellenlängenplättchens und des zweiten Viertelwellenlängenplättchens um etwa 45° in bezug auf die Linearpolarisationsrichtungen der Ausbreitungsmoden geneigt und um 90° gegeneinander verdreht sind, wobei die optischen Frequenzen der zwei Moden verschieden sind.

In vorteilhafter Weise umfaßt die Kavität einen zweiten Linearpolarisator, dessen Achse parallel zu der des ersten Linearpolarisators ist und der in solcher Weise angeordnet ist, daß die optische Gruppe, die aus dem ersten optischen Drehelement mit nicht reziprokem Effekt und dem optischen Element gebildet ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator gelegen ist.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Laserkreisel bzw. Gyrolaser, der die Messung der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelposition bezüglich einer bestimmten Drehachse ermöglicht und wenigstens enthält:

  • • eine ringförmige optische Kavität;
  • • ein Festkörper-Verstärkermedium;
  • • und eine Meßvorrichtung;

    dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität ferner enthält:
  • • eine Regelvorrichtung, die wenigstens eine erste optische Gruppe enthält, die gebildet ist aus einem ersten Linearpolarisator und einem einstellbaren optischen Drehelement mit nicht reziprokem Effekt;
  • • eine zweite optische Gruppe, die gebildet ist aus einer Aufeinanderfolge eines ersten Viertelwellenlängenplättchens, eines zweiten optischen Drehelements mit nicht reziprokem Effekt und eines zweiten Viertelwellenlängenplättchens, wobei die Achse des ersten Plättchens um einen von 45° verschiedenen Winkel in bezug auf die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators geneigt ist und die Achse des zweiten Plättchens um etwa 45° in bezug auf die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators geneigt ist,
in solcher Weise, daß sich eine erste Ausbreitungsmode in der Kavität in einem ersten Sinn ausbreiten kann und eine zweite Ausbreitungsmode sich entgegengesetzt in der Kavität ausbreiten kann, wobei die optischen Frequenzen der zwei Moden verschieden sind.

In vorteilhafter Weise kann ein System zur Messung der Winkelgeschwindigkeiten oder Winkelpositionen bezüglich dreier verschiedener Achsen drei erfindungsgemäße Laserkreisel enthalten, die in verschiedenen Richtungen orientiert sind und auf einer gemeinsamen mechanischen Struktur aufgebaut sind.

Ein besseres Verständnis sowie weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung, die keinen einschränkenden Charakter hat, mit Hilfe der beigefügten Zeichnungen, von denen:

die 1 ein allgemeines Schema des erfindungsgemäßen Laserkreisels ist;

die 2 das Funktionsprinzip eines optischen Drehelements mit reziprokem Effekt darstellt;

die 3 das Funktionsprinzip eines optischen Drehelements mit nicht reziprokem Effekt darstellt;

die 4 das Funktionsprinzip und die Kombination eines Polarisators, eines optischen Drehelements mit reziprokem Effekt und eines optischen Drehelements mit nicht reziprokem Effekt darstellt;

die 5 das Funktionsprinzip einer Gruppe darstellt, die aus einem ersten Viertelwellenlängenplättchen, einem zweiten optischen Drehelement mit nicht reziprokem Effekt und einem zweiten Viertelwellenlängenplättchen besteht;

die 6 die Funktion einer ersten Variante des erfindungsgemäßen Laserkreisels darstellt;

die 7 die Funktion einer zweiten Variante eines erfindungsgemäßen Laserkreisels darstellt.

Die speziellen erfindungsgemäßen Vorrichtungen müssen zwei besondere Funktionen erfüllen:

  • • die Intensitätsregelung der gegenläufigen Moden ermöglichen;
  • • die blinde Zone eliminieren.

Um diese verschiedenen Funktionen zu erfüllen, erzeugt die Vorrichtung im Inneren der Kavität zwei optische Moden bei verschiedenen Frequenzen. Die erste Ausbreitungsmode rotiert in der Kavität in einem ersten Ausbreitungssinn. Die zweite Mode rotiert im entgegengesetzten Ausbreitungssinn.

Die Frequenzdifferenz und die Regelung der Intensität dieser zwei Moden werden mittels des in 1 gezeigten erfindungsgemäßen Laserkreisels erzielt. Er enthält im wesentlichen:

  • • eine ringförmige optische Kavität 1;
  • • ein Festkörper-Verstärkermedium 2;
  • • eine Meßvorrichtung 6;
  • • eine Regelvorrichtung 3, die wenigstens eine erste optische Gruppe umfaßt, bestehend aus einem ersten Linearpolarisator 7, einem ersten optischen Drehelement 6 mit nicht reziprokem Effekt und einem optischen Element, bei dem es sich hier um ein optisches Drehelement 5 mit reziprokem Effekt handelt, wobei wenigstens einer dieser Effekte einstellbar ist, wobei ferner die Steuerung der Einstellung der Effekte der Drehelemente in 1 durch punktierte Pfeile dargestellt ist;
  • • eine zweite optische Gruppe, bestehend aus der Aufeinanderfolge eines ersten Viertelwellenlängenplättchens 8, eines zweiten optischen Drehelements 9 mit nicht reziprokem Effekt und eines zweiten Viertelwellenlängenplättchens 10, dessen Hauptachsen senkrecht zu denen des ersten Viertelwellenlängenplättchens sind;
in solcher Weise, daß eine erste linearpolarisierte Ausbreitungsmode sich in der Kavität in einem ersten Sinn und eine zweite linearparallel zur ersten Mode polarisierter Ausbreitungsmode sich in entgegengesetztem Sinn in der Kavität ausbreiten kann, wobei die Hauptachsen des ersten Viertelwellenlängenplättchens und des zweiten Viertelwellenlängenplättchens um etwa 45° in bezug auf die Linearpolarisationsrichtungen der Ausbreitungsmoden geneigt sind und untereinander einen Winkel von etwa 90° bilden, wobei die optischen Frequenzen der zwei Moden verschieden sind.

Die erste optische Gruppe umfaßt ein optisches Drehelement 5 mit reziprokem Effekt und ein optisches Drehelement 6 mit nicht reziprokem Effekt. Eine optische Drehung der Polarisation einer Welle wird als nicht reziprok bezeichnet, wenn die Auswirkungen der Polarisationsdrehung sich nach einem Hinlauf und einem Rücklauf der Welle in einem optischen Bauteil, das diesen Effekt aufweist, aufsummieren. Die optische Komponente wird als optisches Drehelement mit nicht reziprokem Effekt bezeichnet. Stoffe, in denen der Faraday-Effekt auftritt, sind beispielsweise solche Stoffe, die, wenn sie einem Magnetfeld ausgesetzt werden, die Polarisationsebene der sie durchquerenden Lichtbündel drehen. Dieser Effekt ist nicht reziprok. Ein und derselbe Lichtstrahl, der im entgegengesetzten Sinne läuft, erfährt also eine Drehung seiner Polarisationsebene im gleichen Sinne. Dieses Prinzip ist in 3 veranschaulicht. Die Ausbreitungsrichtungen sind durch waagerechte Pfeile in der Figur angegeben. Die Polarisationsrichtung des linearpolarisierten Strahls 101 erfährt eine Drehung um einen Winkel &bgr;, wenn sie das den Faraday-Effekt aufweisende Bauteil 6 im direkten Sinne durchläuft (oberes Schema in 3). Wenn in dieses Faraday-Effekt-Bauteil derselbe Lichtstrahl 102 mit entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung wieder eingespeist wird, wobei dessen Polarisationsrichtung anfangs um &bgr; verdreht wurde, so dreht sich seine Polarisation erneut um den Winkel &bgr; bei der Durchquerung des Bauteils, so daß der gesamte Drehwinkel dann 2&bgr; nach Hin- und Rücklauf beträgt (unteres Schema in 3).

In einem herkömmlichen Drehelement 5 mit reziprokem Effekt wird die Polarisationsrichtung des Strahls 101 um +&agr; im direkten Sinne gedreht, und die Polarisationsrichtung des Lichtstrahls 102 wird um –&agr; in entgegengesetzter Ausbreitungsrichtung gedreht, so daß man die ursprüngliche Polarisationsrichtung wieder findet, wie in 2 schematisch dargestellt.

Die Funktion der ersten optischen Gruppe ist in 4 dargestellt.

Bei der erfindungsgemäßen Art von Kavität sind die Eigenzustände der gegenläufigen Moden linear entlang einer Achse parallel zur Achse des Polarisators 7 polarisiert. Im direkten Sinne durchquert die erste optische Mode 101 zunächst das Drehelement 5 mit reziprokem Effekt und dann das erste Drehelement 6 mit nicht reziprokem Effekt sowie schließlich den Polarisator 7. Folglich dreht sich ihre Polarisationsrichtung um einen Winkel &agr; nach Durchquerung des ersten Elements und einen Winkel &agr; + &bgr; nach Durchquerung des zweiten Elements. Bei der Durchquerung des Polarisators 7 wird die Mode folglich um einen Faktor cos2(&agr; + &bgr;) gedämpft. Im entgegengesetzten Sinn wird die zweite optische Mode ebenfalls durch den Polarisator 7 nach einem vollständigen Durchlauf gedämpft. Es kann gezeigt werden, daß dieser zweite Faktor gleich cos2(&agr; – &bgr;) ist. Folglich ist die Dämpfung der Moden je nach ihrer Ausbreitungsrichtung verschieden und hängt direkt von der Größe der Effekte ab, die durch die Polarisation der zwei Moden gegeben sind. Es können so die Intensitäten der gegenläufigen Moden unterschiedlich variiert werden, indem wenigstens einer der zwei Werte &agr; oder &bgr; der durch die Polarisationen der zwei Moden gegebenen Auswirkungen durch die Regelvorrichtung variiert wird. Auf diese Weise wird die Regelung der Intensität der verschiedenen Moden auf einen konstanten Wert realisiert.

Die Funktion der zweiten optischen Gruppe ist in 5 veranschaulicht. Wenn eine linear polarisierte optische Mode 101 (rechter Pfeil in 5) das erste Viertelwellenlängenplättchen 8 durchquert, und die Hauptachse dieses Plättchens, dargestellt durch einen Doppelpfeil, um 45° gegen die Polarisationsrichtung geneigt ist, tritt die Mode mit einer Rechtszirkularpolarisation aus (durchgezogener Halbkreis-Pfeil in 5). Diese zirkularpolarisierte Welle erfährt eine nicht reziproke Phasenverschiebung d, wenn sie das zweite nicht reziproke optische Drehelement 5 durchquert. Sie wird anschließend durch das zweite Viertelwellenlängenplättchen 10, dessen Hauptachse senkrecht zur Hauptachse des ersten Viertelwellenlängenplättchens ist, erneut in eine linearpolarisierte Welle transformiert. Die diese vierte optische Gruppe durchquerende Mode erfährt so eine nicht reziproke Phasenverschiebung unter Bewahrung der Linearpolarisation der Welle.

Es ist folglich mittels der zuvor beschriebenen Vorrichtungen möglich, im Inneren der Kavität zwei Moden zu erzeugen, die zueinander in entgegengesetztem Sinn zirkulieren, sie variabel und gesteuert zu dämpfen, um sie auf demselben Intensitätsniveau zu halten, und gleichfalls reziproke und nicht reziproke Phasenverschiebungen der Moden einzuführen. Um die Eigenmoden und ihre Frequenzen zu bestimmen, wird der Formalismus der Jones-Matrizen verwendet. Dieser besteht darin, den Einfluß einer optischen Komponente auf eine optische Ausbreitungsmode durch eine 2 × 2-Matrix darzustellen, die auf eine Ebene bezogen ist, welche senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der optischen Moden ist.

Um den resultierenden Einfluß sämtlicher Komponenten innerhalb der Kavität zu ermitteln, müssen dann lediglich die Eigenzustände des Produktes der verschiedenen Matrizen bestimmt werden, die diese Komponenten darstellen. Da dieses Produkt nicht notwendigerweise kommutativ ist, kann die Matrix je nach Ausbreitungsrichtung der Strahlen verschieden sein.

Die Matrizen der verschiedenen optischen Elemente, die in der Kavität vorhanden sind, sind folgende:

Für ein Drehelement mit reziprokem Effekt, das in einem ersten Drehsinn durchlaufen wird, der als direkter Sinn bezeichnet wird, wird die Matrix R+(&agr;) wie folgt geschrieben:

Für ein Drehelement mit reziprokem Effekt, das in einem zweiten Drehsinn durchlaufen wird, der als entgegengesetzter Sinn bezeichnet wird, wird die Matrix R(&agr;) wie folgt geschrieben:

Für ein Drehelement mit nicht reziprokem Effekt ist die Matrix F(&bgr;) unabhängig von dem Ausbreitungssinn und wird wie folgt geschrieben:

Für einen Polarisator schreibt man die Matrix P wie folgt:

Für ein Viertelwellenlängenplättchen, das um 45° verdreht ist, schreibt man die Matrix L1 wie folgt:

Für ein Viertelwellenlängenplättchen, das um 135° gedreht ist, schreibt man die Matrix L2 wie folgt:

Die Matrizen M+ und M_, welche die Gesamtheit der optischen Vorrichtungen darstellen, die in der Kavität vorhanden sind, erhält man für die Ausbreitungsmoden im direkten Sinn und im entgegengesetzten Sinn durch einfache Multiplikation: M+ = P·R+(&agr;)·L1·F(d)·L2 und M_ = L2·F(d)·L1·F(&bgr;)·R(&agr;)·P

Es gilt ferner: und

Die Kenntnis der Matrizen M+ und M_ ermöglicht die Bestimmung der Eigenzustände der optischen Moden, die sich in der Kavität ausbreiten können. Es gibt in jeder Ausbreitungsrichtung einen Eigenzustand mit dem Eigenwert ungleich Null, bezeichnet mit (+) und (–):

Da die Beträge von (+) und von (–) je nach Ausbreitungsrichtung verschieden sind, ist es möglich, durch Verändern eines der Koeffizienten &agr; oder &bgr; die gegenläufigen Moden auf eine konstante Intensität zu regeln.

Ohne Drehung des Laserkreisels ist die Frequenz &ngr; einer optischen Mode in einer ringförmigen Laserkavität der Länge L in herkömmlicher Weise mit der Phasenverschiebung &phgr; verknüpft, welche diese Mode nach jedem Durchlauf der Kavität erfährt, gemäß der Beziehung: mit n ganzzahlig und c Lichtgeschwindigkeit.

Da die zwei Moden um einen Winkel 2d phasenverschoben sind, beträgt die Frequenzdifferenz &Dgr;&ngr; zwischen den zwei Moden:

Wenn diese Differenz ausreichend groß ist, tritt folglich keine Kopplung der zwei Moden (+) und (–) auf. Die Wahl des Wertes von &Dgr;&ngr; ist durch den gewünschten Anwendungsbereich des Laserkreisels fest vorgegeben. Zur Gewährleistung der Einhaltung dieser Bedingung genügt es dann, die optischen Parameter und geometrischen Parameter des nicht reziproken Drehelements geeignet einzustellen.

Wenn die Kavität in Drehung ist, werden die Eigenfrequenzen durch den Sagnac-Effekt verschoben um eine Frequenz ± &OHgr;/2, wobei das Vorzeichen vom Ausbreitungssinn der Mode abhängt. Die Frequenzdifferenz wird in diesem Falle &Dgr;&ngr;s:

Aus der Kenntnis von &Dgr;&ngr;, die nur von bekannten Parametern abhängt, und &Dgr;&ngr;s, die gemessen wird, findet man so die Schwebungsfrequenz &OHgr;, woraus die Rotations-Winkelgeschwindigkeit bestimmt werden kann. Die elektronische Zählung der Schwebungslinien, die während einer Winkelpositionsänderung durchlaufen, ermöglicht dann die Kenntnis des relativen Wertes der Winkelposition gleichfalls mit sehr großer Präzision.

Die verschiedenen Operationen zur Bestimmung der Frequenzdifferenz &Dgr;&ngr;s werden mittels der Meßvorrichtung durchgeführt, welche enthält:

  • • optische Mittel, um einen Teil der ersten Ausbreitungsmode mit der zweiten Ausbreitungsmode in Interferenz zu bringen;
  • • elektrooptische Mittel zur Bestimmung der optischen Frequenzdifferenz &Dgr;&ngr;s zwischen der ersten Ausbreitungsmode und der zweiten Ausbreitungsmode;
  • • elektronische Mittel zur Berechnung der Schwebungsfrequenz &OHgr; oder zur Zählung der Linien des Schwebungssignals.

Es ist möglich, daß die optischen Achsen der Viertelwellenlängenplättchen nicht genau ausgerichtet sind. In diesem Falle enthält die Differenz zwischen den Frequenzen der gegenläufigen Moden parasitäre Therme, die mit den nicht reziproken Effekten verknüpft sind und die Messung verfälschen können. Eine einfache Lösung dieses Problems ist in 6 dargestellt. Die Kavität enthält einen zweiten Polarisator 12, dessen Achse parallel zu der des ersten Polarisators ist. Somit ist die optische Gruppe, die durch das erste optische Drehelement mit nicht reziprokem Effekt und durch das optische Element gebildet sind, zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator gelegen.

In diesem Falle, und wenn die Achsen der Viertelwellenlängenplättchen genau unter 45° zu den Achsen der Polarisatoren ausgerichtet sind, schreibt man die Jones-Matrizen dieser neuen Konfiguration unter Verwendung derselben Notationen wie zuvor wie folgt: M+ = P·R+(&agr;)·F(&bgr;)·P·L1·F(d)·L2 und M_ = L2·F(d)·L1·P·F(&bgr;)·R_(&agr;)·P

Oder auch und

Die Ausbreitungsmoden haben natürlich dieselben Frequenzen und dieselben Beträge wie zuvor.

Wenn die Achsen der Viertellängenplättchen nicht genau ausgerichtet sind, wird mit ϕ der Winkel bezeichnet, den die Achse des ersten Viertelwellenlängenplättchens mit der des Polarisators bildet, mit:

ϕ = &pgr;/4 + &thgr;, worin &thgr; der Fehlausrichtungswinkel ist.

Man kann dann zeigen, daß die Jones-Matrix L3(ϕ), die zu einem solchen Viertelwellenlängenplättchen gehört, wie folgt lautet:

In diesem Falle werden die Jones-Matrizen folgende: M+ = P·R+(&agr;)·F(&bgr;)·P·L1·F(d)·L3(ϕ) und M_ = L3(ϕ)·F(d)·L1·P·F(&bgr;)·R(&agr;)·P

Oder auch und

Wie man sieht, führt die Fehlausrichtung eine zusätzliche Phasenverschiebung ein. Da jedoch diese Phasenverschiebung in den beiden gegenläufigen Moden dieselbe ist, hat sie keine Auswirkungen auf die relative Phasenverschiebung zwischen den zwei gegenläufigen Moden, welche nämlich gleich d bleibt. Die Fehlausrichtung führt auch zusätzliche Verluste ein. Wenn jedoch der Fehlausrichtungswinkel &thgr; klein bleibt, sind diese Verluste ohne Folgen für die Regelung der Moden.

Die Einführung des zweiten Polarisators 12 in der Kavität eliminiert folglich die parasitären Effekte aufgrund einer schlechten Ausrichtung der Viertelwellenlängenplättchen, wobei die Vorrichtung zur Steuerung der Intensitäten und der durch den Phasenschieber eingeführte Versatz vollkommen unberührt bleiben.

Die Viertelwellenlängenplättchen sind optische Komponenten, die einen reziproken Effekt aufweisen. Es ist daher möglich, wie in 7 dargestellt, eine Kavität zu verwirklichen, die eine Regelvorrichtung umfaßt, mit wenigstens:

  • • einer ersten optischen Gruppe, gebildet aus einem ersten Linearpolarisator 7 und einem optischen Drehelement 6 mit nicht reziprokem Effekt, der einstellbar ist, wobei das reziproke Drehelement bei dieser Konfiguration nicht mehr erforderlich ist;
  • • eine zweite optische Gruppe, gebildet aus der Aufeinanderfolge eines ersten Viertelwellenlängenplättchens 8, eines zweiten optischen Drehelements 9 mit nicht reziprokem Effekt und einem zweiten Viertellängenplättchen 10, wobei die Achse des ersten Plättchens um einen Winkel ϕ gegen die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators geneigt ist, mit:

    ϕ = &pgr;/4 + &thgr; verschieden von 0.

Dabei ist die Achse des zweiten Plättchens 10 um etwa 45° gegenüber der Polarisationsrichtung des Linearpolarisators und um etwa 90° bezüglich der Achse des ersten Plättchens 8 geneigt.

Man kennt die Jones-Matrix L3(ϕ), die zu dem ersten Plättchen gehört. Die Jones-Matrizen für diese Konfiguration werden mit denselben Notationen wie zuvor geschrieben: M+ = F(&bgr;)·L3(ϕ)·F(d)·L2·P und M_ = P·L2·F(d)·L3(ϕ)·F(&bgr;)

Es kann gezeigt werden, daß die erste Matrize folgenden Eigenwert hat: &lgr;+ = cos(&bgr; + &thgr;)ei(&thgr;+d)

Ferner kann gezeigt werden, daß die zweite Matrize folgenden Eigenwert hat: &lgr;_ = cos(&bgr; – &thgr;)ei(&thgr;–d)

Mit dieser optischen Anordnung sind folglich die Intensitätsmodulation der Moden sowie die Phasenverschiebung je nach Ausbreitungsrichtung der Mode verschieden. Man erhält in der Tat denselben Effekt wie bei der ersten Ausführungsform, mit einem optischen Bauteil weniger.

Bei den verschiedenen Ausführungsformen kann das nicht reziproke Drehelement ein Faraday-Drehelement sein, das aus einem Stab eines Materials wie beispielsweise TGG (Akronym für Terbium Gadolinium Granat) oder YAG (Akronym für Yttrium Aluminium Granat) besteht. Der Stab wird in das Magnetfeld eines Magneten eingebracht, um einen konstanten reziproken Effekt zu erzielen, oder in das Magnetfeld einer Spule, um einen veränderlichen Effekt zu erzielen, der durch das Regelsystem gesteuert wird. Im Falle einer konstanten Ansteuerung wird das Material in vorteilhafter Weise in Sättigung betrieben, um Schwankungen zu begrenzen. Das reziproke Drehelement kann ein optisch aktives Element sein. Es kann auch durch ein Einwellenlängenplättchen oder durch ein zweites polarisierendes optisches Element ersetzt werden. Es kann auch mittels einer nicht-ebenen Kavität erhalten werden, durch eine besondere Anordnung der Spiegel der Kavität in solcher Weise, daß die Ausbreitung der optischen Strahlen nicht in einer Ebene erfolgt. Die Wirkung des Drehelements kann entweder konstant oder variabel sein, dann durch das Regelsystem gesteuert (Patentanmeldung Nr. 03 03645).

Es ist natürlich auch möglich, mehrere erfindungsgemäße Laserkreisel bzw. Gyrolaser zusammenzufügen, um ein Meßsystem zur Messung der relativen Winkelgeschwindigkeiten oder Winkelpositionen in drei verschiedenen Achsen zu verwirklichen, beispielsweise mit drei Laserkreiseln, die auf einer gemeinsamen mechanischen Struktur aufgebaut sind.


Anspruch[de]
Laserkreisel, der die Messung der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelposition bezüglich einer bestimmten Drehachse ermöglicht und wenigstens enthält:

• eine ringförmige optische Kavität (1);

• ein Festkörper-Verstärkermedium (2);

• eine Regelvorrichtung (3), die wenigstens eine erste optische Gruppe umfaßt, die aus einem ersten linearen Polarisator (7), einem ersten optischen Drehelement (6) mit nicht reziprokem Effekt und einem optischen Element gebildet ist, wobei dieses Element entweder ein optisches Drehelement (5) mit reziprokem Effekt oder ein doppelbrechendes Element ist, wobei wenigstens einer der Effekte oder die Doppelbrechung einstellbar ist;

• und eine Meßvorrichtung (6);

dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität (1) ferner umfaßt:

• eine zweite optische Gruppe, die gebildet ist aus einer Aufeinanderfolge eines ersten Viertelwellenlängenplättchens (8), eines zweiten optischen Drehelements (9) mit nicht reziprokem Effekt und eines zweiten Viertelwellenlängenplättchens (10), deren Hauptachsen senkrecht zu denen des ersten Viertelwellenlängenplättchens sind;

in solcher Weise, daß eine erste linearpolarisierte Ausbreitungsmode sich in der Kavität in einem ersten Sinn ausbreiten kann und eine zweite linear parallel zur ersten Mode polarisierte Ausbreitungsmode sich in entgegengesetztem Sinne in der Kavität ausbreiten kann, wobei die Hauptachsen des ersten Viertelwellenlängenplättchens und des zweiten Viertelwellenlängenplättchens um etwa 45° in bezug auf die Linearpolarisationsrichtungen der Ausbreitungsmoden geneigt und um 90° gegeneinander verdreht sind, wobei die optischen Frequenzen der zwei Moden verschieden sind.
Laserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Kavität einen zweiten Linearpolarisator umfaßt, dessen Achse parallel zu der des ersten Linearpolarisators ist und der in solcher Weise angeordnet ist, daß die optische Gruppe, die aus dem ersten optischen Drehelement (6) mit nicht reziprokem Effekt und dem optischen Element (5) gebildet ist, zwischen dem ersten und dem zweiten Polarisator gelegen ist. Laserkreisel, der die Messung der Winkelgeschwindigkeit oder Winkelposition bezüglich einer bestimmten Drehachse ermöglicht und wenigstens enthält:

• eine ringförmige optische Kavität (1);

• ein Festkörper-Verstärkermedium (2);

• und eine Meßvorrichtung (6);

dadurch gekennzeichnet, daß die Kavität (1) ferner enthält:

• eine Regelvorrichtung (3), die wenigstens eine erste optische Gruppe enthält, die gebildet ist aus einem ersten Linearpolarisator (7) und einem einstellbaren optischen Drehelement (5) mit nicht reziprokem Effekt;

• eine zweite optische Gruppe, die gebildet ist aus einer Aufeinanderfolge eines ersten Viertelwellenlängenplättchens (8), eines zweiten optischen Drehelements (9) mit nicht reziprokem Effekt und eines zweiten Viertelwellenlängenplättchens (10), wobei die Achse des ersten Plättchens um einen von 45° verschiedenen Winkel in bezug auf die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators geneigt ist und die Achse des zweiten Plättchens um etwa 45° in bezug auf die Polarisationsrichtung des Linearpolarisators geneigt ist,

in solcher Weise, daß sich eine erste Ausbreitungsmode in der Kavität in einem ersten Sinn ausbreiten kann und eine zweite Ausbreitungsmode sich entgegengesetzt in der Kavität ausbreiten kann, wobei die optischen Frequenzen der zwei Moden verschieden sind.
System zur Messung der Winkelgeschwindigkeiten oder Winkelpositionen bezüglich dreier verschiedener Achsen, dadurch gekennzeichnet, daß es drei Laserkreisel nach einem der vorstehenden Ansprüche enthält, die in verschiedenen Richtungen orientiert sind und auf einer gemeinsamen mechanischen Struktur aufgebaut sind.






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