CH652245A5

CH652245A5 - RING LASER.

Info

Publication number: CH652245A5
Application number: CH8225/80A
Authority: CH
Inventors: Thomas Joe Hutchings; Gary Dean Babcock
Original assignee: Litton Systems Inc
Priority date: 1979-11-05
Filing date: 1980-11-05
Publication date: 1985-10-31
Also published as: IT8049966A0; FR2469025B1; GB2062950A; GB2062950B; DE3040202C2; JPS5674978A; JPS5933994B2; DE3040202A1; FR2469025A1; IL61156A; SE8007703L; IT1146216B; CA1168740A; SE448576B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ringlaser, die für die Verwendung als Winkelgeschwindigkeitsfühler ausgebildet sind. Solche Ringlaser werden auch als Ringlasergyroskope oder Ringlaserkreisel bezeichnet. In einem solchen Winkelgeschwindigkeitsfühler ist die Differenz zwischen den Frequenzen von in Gegenrichtung zueinander laufenden Strahlungsenergiewellen, zum Beispiel Lichtwellen, ein Mass für die Geschwindigkeit der Winkeldrehung der Struktur, in der diese Wellen laufen. The present invention relates to ring lasers designed for use as angular velocity sensors. Such ring lasers are also referred to as ring laser gyroscopes or ring laser gyroscopes. In such an angular velocity sensor, the difference between the frequencies of radiation energy waves traveling in opposite directions, for example light waves, is a measure of the speed of the angular rotation of the structure in which these waves travel.

Ringlasergyroskope, die gegeneinander umlaufende Laserstrahlen verwenden, sind bekannt. Sie werden zur Messung der Drehung des Ringlasers um eine bestimmte Achse verwendet, wobei durch Kombination von Teilen der gegen-einanderlaufenden Wellen eine Schwebung erzeugt wird, deren Frequenz gleich dem Frequenzunterschied zwischen den beiden Wellen ist. Durch das Drehen des Ringlasers um die Achse wird die Frequenz der in einer Richtung im Laserhohlraum laufenden Welle vergrössert und die Frequenz der in der entgegengesetzten Richtung im Laserhohlraum laufenden Welle verringert. Wenn die Wellen abgefühlt und die erhaltenen Signale überlagert werden, ist die Überlagerungsoder Schwebungsfrequenz proportional der Winkelgeschwindigkeit der Drehung des Lasers. Ring laser gyroscopes that use laser beams rotating against each other are known. They are used to measure the rotation of the ring laser around a certain axis, whereby a beat is generated by combining parts of the opposing waves, the frequency of which is equal to the frequency difference between the two waves. By rotating the ring laser around the axis, the frequency of the wave traveling in one direction in the laser cavity is increased and the frequency of the wave traveling in the opposite direction in the laser cavity is reduced. When the waves are sensed and the signals obtained are superimposed, the beat or beat frequency is proportional to the angular velocity of the rotation of the laser.

Wenn ein Ringlasergyroskop zum Messen kleiner Winkelgeschwindigkeiten verwendet werden soll, muss ein Mitziehen der Frequenzen verhindert werden. Ist bei zwei in einem Resonanzhohlraum gegeneinander umlaufenden Wellen der Frequenzunterschied klein, so ziehen, sofern keine besonderen Massnahmen getroffen werden, die Frequenzen dieser Wellen einander mit, so dass keine Schwebungsfrequenz erhalten wird und das Gyroskop für kleine Winkelgeschwindigkeiten unempfindlich ist. Dieser Mitzieh- oder Einrasteffekt ist von Frederick Aronowitz unter demTitel «The Laser Gyro» auf den Seiten 133-200 des Buchs «Laser Applications» genauer beschrieben, das von Monte Ross, Academic Press Inc., New York, N.Y. 1971 herausgegeben wurde. If a ring laser gyroscope is to be used to measure small angular velocities, the frequencies must not be dragged along. If the frequency difference is small in the case of two waves rotating against each other in a resonance cavity, the frequencies of these waves move with each other, unless special measures are taken, so that no beat frequency is obtained and the gyroscope is insensitive to small angular velocities. This pull-in or snap-in effect is described in more detail by Frederick Aronowitz under the title “The Laser Gyro” on pages 133-200 of the book “Laser Applications”, which is published by Monte Ross, Academic Press Inc., New York, N.Y. Was published in 1971.

Der Hauptgrund für diesen Einrasteffekt ist die Streuung von Energie von jedem Strahl in die Richtung des anderen. Diese gegenseitige Streuung oder Rückstreuung wird von Aronowitz auf den Seiten 148-153 der genannten Veröffentlichung ausführlich erläutert. Kurz ausgedrückt ist die Differenzfrequenz zwischen zwei in einem Ringlaser gegeneinander umlaufenden Wellen angenähert durch die folgende Gleichung gegeben: The main reason for this snap effect is the scattering of energy from each beam in the direction of the other. This mutual scattering or backscattering is explained in detail by Aronowitz on pages 148-153 of the publication mentioned. In short, the difference frequency between two waves rotating in a ring laser is given by the following equation:

y = a + b sini|; y = a + b sini |;

wobei ij/ die momentane Phasendifferenz zwischen den beiden Wellen, a proportional der Winkelgeschwindigkeit des Ringlasers und b proportional der Grösse der rückgestreuten Energie ist. Wenn a kleiner als b ist, ist die Schwebungsfrequenz gleich Null und der Ringlaser ist eingerastet. Damit ein Ausgangssignal erhalten wird, das ein Mass für die Drehge-schwindigket des Ringlasers ist, muss a grösser als b sein. where ij / the instantaneous phase difference between the two waves, a proportional to the angular velocity of the ring laser and b proportional to the magnitude of the backscattered energy. If a is less than b, the beat frequency is zero and the ring laser is locked. In order to obtain an output signal that is a measure of the rotational speed of the ring laser, a must be greater than b.

Ein Mittel zum Vermeiden des Frequenzeinrastens ist den Ringlaser um seine empfindliche Achse mechanisch in Oszillationen mit kleiner Amplitude zu versetzen. Dadurch wird dem Ringlaser eine Drehgeschwindigkeit überlagert, so dass die meiste Zeit a grösser als b ist und der Einfluss von b minimalisiert oder eliminiert wird. Ein Gyroskop mit mechanisch erzeugbaren Oszillationen ist in der US-PS Nr. 4 114 004, veröffentlicht am 19.9.78 beschrieben. Dieser zum Stand der Technik gehörenden Patentschrift kommt der Gegenstand der vorliegenden Erfindung am nächsten. Das in dieser Patentschrift beschriebene Gyroskop verwendet einen Ringlaser mit drei Spiegeln, wobei die Position eines Spiegels zur Einstellung der optischen Weglänge und die Position eines anderen Spiegels zur Unterdrückung des Einrasteffekts regelbar ist. Die Einstellung der optischen Weglänge und die Unterdrük-kung des Einrasteffekts erfolgt durch eine schnellere bzw. One way of avoiding frequency locking is to mechanically set the ring laser around its sensitive axis into oscillations with a small amplitude. As a result, a rotational speed is superimposed on the ring laser, so that most of the time a is greater than b and the influence of b is minimized or eliminated. A gyroscope with mechanically generated oscillations is described in US Pat. No. 4,114,004, published on September 19, 1978. This patent specification belonging to the prior art comes closest to the subject of the present invention. The gyroscope described in this patent uses a ring laser with three mirrors, the position of one mirror to adjust the optical path length and the position of another mirror to suppress the snap-in effect. The adjustment of the optical path length and the suppression of the snap-in effect is done by a faster or

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eine langsamere Servoregelung der Position des betreffenden Spiegels. Der dritte Spiegel überträgt einen Teil des Lichts des Laserstrahls auf einen Lichtfühler. Das Signal des Lichtfühlers betätigt die beiden Servoregelungen, wobei die Position des zur Unterdrückung des Einrasteffekts dienenden Spiegels derart eingestellt wird, dass die durch die mechanischen Oszillationen erzeugte Amplitudenvariation von nur einem Strahlsignal minimalisiert wird. a slower servo control of the position of the mirror in question. The third mirror transmits part of the light from the laser beam to a light sensor. The signal from the light sensor actuates the two servo controls, the position of the mirror serving to suppress the snap-in effect being set such that the amplitude variation generated by the mechanical oscillations is minimized by only one beam signal.

Wenn die Frequenzen der gegeneinander umlaufenden Wellen durch mechanisch erzeugte Oszillationen des Ringlasers um seine Fühlerachse frequenzmoduliert sind, sind sofern keine Rückstreuung auftritt, die Summensignale der Modulationshüllkurven der beiden Wellen gleich. If the frequencies of the waves rotating against each other are frequency-modulated by mechanically generated oscillations of the ring laser around its sensor axis, the back-up signals are the same as the sum signals of the modulation envelopes of the two waves.

Wenn jedoch eine rückgestreute Lichtwelle auf die Spiegel gelangt, werden die Wechelstromamplituden der Signale durch die Interferenz der rückgestreuten Welle mit der Hauptwelle vergrössert oder verkleinert. However, when a backscattered light wave hits the mirrors, the AC amplitudes of the signals are increased or decreased by the interference of the backscattered wave with the main wave.

Aufgabe der Erfindung ist es, die Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen durch Bewegen der Spiegel nach einwärts oder auswärts derart einzustellen, dass die Summe der Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen so klein als möglich ist. The object of the invention is to adjust the alternating current amplitudes of the mutually rotating waves by moving the mirrors inwards or outwards such that the sum of the alternating current amplitudes of the mutually rotating waves is as small as possible.

Eine Möglichkeit zum Einstellen der Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen ist die Steuerung der Servoregelung der Spiegel in Abhängigkeit von einem Signal, das ein Mass für die Differenz der Wechselstromamplituden zweier aufeinanderfolgenden Summen von gemessenen gegeneinander umlaufenden Wellen ist. Nach dem Minimalisieren des Summensignals der beiden Wellen durch Einstellen eines Spiegeis kann dieser Prozess mit den anderen Spiegeln wiederholt werden. Es können auch alle drei Spiegel gleichzeitig eingestellt werden. Wenn dies der Fall ist kann es vorteilhaft sein, die Ansprechzeit der Servoregelungen verschieden zu machen, so dass durch die Servoregelungen keine Oszillationen der Spiegel auftreten. One way of adjusting the AC amplitudes of the mutually rotating waves is to control the servo control of the mirrors as a function of a signal that is a measure of the difference in the AC amplitudes of two successive sums of measured mutually rotating waves. After minimizing the sum signal of the two waves by adjusting one mirror ice, this process can be repeated with the other mirrors. All three mirrors can also be adjusted at the same time. If this is the case, it can be advantageous to make the response time of the servo controls different so that no oscillations of the mirrors occur due to the servo controls.

Nach dem Einstellen der Spiegel zum Minimalisieren der Summe der beiden gegeneinander umlaufenden Wellen können die Spiegel zum Minimalisieren der Differenz zwischen den beiden Wellen eingestellt werden. Dann wird der Prozess zum Minimalisieren der Summe der beiden Wellen wiederholt. After adjusting the mirrors to minimize the sum of the two rotating waves, the mirrors can be adjusted to minimize the difference between the two waves. Then the process of minimizing the sum of the two waves is repeated.

Das Prinzip der Erfindung ist nicht auf einen dreiseitigen Ringlaser mit drei Spiegeln beschränkt. Es kann auch auf Ringlaser mit vier, sechs, acht oder mehr Spiegeln angewendet werden. The principle of the invention is not limited to a three-sided ring laser with three mirrors. It can also be applied to ring lasers with four, six, eight or more mirrors.

Wenn gemäss der Erfindung einer oder mehrere Spiegel durch eine Servoregelung eingestellt werden, ist es vorteilhaft, den Spiegel zum Regeln der Gesamtlänge des Laserwegs durch eine schnelle Servoregelung einzustellen, wodurch die Wellenlänge für die Winkelgeschwindigkeit Null erhalten wird. If, according to the invention, one or more mirrors are set by means of a servo control, it is advantageous to set the mirror to regulate the total length of the laser path by means of a fast servo control, as a result of which the wavelength for the angular velocity is zero.

Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden zwei Spiegel eines drei Spiegel aufweisenden Ringlasers durch eine langsame Servoregelung und der dritte Spiegel durch eine schnelle Servoregelung eingestellt, um auch für die Winkelgeschwindigkeit Null eine Wellenlänge zu erhalten. In one exemplary embodiment of the invention, two mirrors of a ring laser having three mirrors are set by a slow servo control and the third mirror by a fast servo control in order to also obtain a wavelength for the zero angular velocity.

Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung wird beispielsweise Spiegel 1 zum Regeln der Gesamtlänge des Laserwegs und die Spiegel 2 und 3 gemäss der Erfindung eingestellt. Nach einer bestimmten Zeit wird dann Spiegel 2 zum Regeln der Gesamtlänge des Laserwegs und die Spiegel 1 und 3 gemäss der Erfindung eingestellt. Dann wird Spiegel 1 oder 3 zum Regeln der Gesamtlänge des Laserwegs und die übrigen Spiegel gemäss der Erfindung eingestellt. In a further exemplary embodiment of the invention, for example, mirror 1 for regulating the total length of the laser path and mirrors 2 and 3 are set according to the invention. After a certain time, mirror 2 is then set to regulate the total length of the laser path and mirrors 1 and 3 according to the invention. Then mirror 1 or 3 is adjusted to regulate the total length of the laser path and the other mirrors according to the invention.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen ermittelt und die Summe ihrer Wechselstromamplituden in einer logischen Schaltung gespeichert, In a preferred exemplary embodiment of the invention, the alternating current amplitudes of the mutually rotating waves are determined and the sum of their alternating current amplitudes is stored in a logic circuit.

die Teil eines Mikroprozessors sein kann. Dann werden die Wechselstromamplituden der Wellen nochmals ermittelt und addiert und die Wechselstromamplitude des neuen Summensignals vom gespeicherten Summensignal zum Ermitteln der Differenz subtrahiert. Zum Einstellen der Position jedes Spiegels dienen Piezokristalle, die von einer Spannung betätigt werden, um den je nach dem Vorzeichen der ermittelten Differenz schrittweise nach einwärts oder auswärts zu bewegen. Die Signale werden nochmals ermittelt, addiert und verglichen. Dies wird fortgesetzt, bis die Differenz zweier aufeinanderfolgender Summensignale ein Minimum ist. Dieses Minimum wird durch den Wechsel des Vorzeichens der Differenz angezeigt. that can be part of a microprocessor. Then the AC amplitudes of the waves are determined and added again and the AC amplitude of the new sum signal is subtracted from the stored sum signal to determine the difference. Piezo crystals, which are actuated by a voltage, are used to adjust the position of each mirror, in order to move the step inwards or outwards, depending on the sign of the determined difference. The signals are determined again, added and compared. This continues until the difference between two successive sum signals is a minimum. This minimum is indicated by changing the sign of the difference.

Diese Massnahmen können wiederholt werden, um die Position eines zweiten Spiegels in Abhängigkeit vom Summensignal der Wechselstromamplituden der beiden gegeneinander umlaufenden Wellen einzustellen. These measures can be repeated in order to adjust the position of a second mirror as a function of the sum signal of the AC amplitudes of the two rotating waves.

Die Massnahmen können mehrmals wiederholt werden, um verschiedene Spiegel zum Erzielen der minimalen Differenz zwischen aufeinanderfolgenden Summen der Wechselstromamplituden der beiden entgegengesetzt umlaufenden Wellen einzustellen. The measures can be repeated several times in order to set different mirrors in order to achieve the minimum difference between successive sums of the alternating current amplitudes of the two waves rotating in opposite directions.

Nachdem das Minimum der Summen der Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen erzielt wurde, können auch die Differenzen minimalisiert werden. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Wechselstromamplituden subtrahiert und das Ergebnis gespeichert. Dann wird die Position eines Spiegels schrittweise geändert und die Wechselstromamplituden wieder subtrahiert. Die Differenzen werden verglichen und der Spiegel schrittweise in eine Richtung zum Minimalisieren der Differenz bewegt. Da die Spiegel bereits früher zum Minimalisieren der Summen eingestellt wurden, ist es nicht angezeigt, die Differenzsignale völlig zu minimalisieren, denn dies könnte die Summensignale beeinträchtigen. Es sollte nur eine bestimmte Zahl von Differenzsignalen, zum Beispiel fünf, verarbeitet werden, bevor die Spiegel wieder zum Minimalisieren der Summensignale eingestellt werden. After the minimum of the sums of the alternating current amplitudes of the waves rotating against one another has been achieved, the differences can also be minimized. In one embodiment of the invention, the AC amplitudes are subtracted and the result is stored. Then the position of a mirror is gradually changed and the AC amplitudes are subtracted again. The differences are compared and the mirror is gradually moved in a direction to minimize the difference. Since the mirrors were previously set to minimize the sums, it is not appropriate to minimize the difference signals completely, as this could affect the sum signals. Only a certain number of difference signals, for example five, should be processed before the mirrors are adjusted again to minimize the sum signals.

Die Erfindung ermöglicht das Minimalisieren der optischen Rückstreuung in einem Ringlaser, vorzugsweise in einem solchen, der um seine Fühlerachse oszilliert. The invention enables the optical backscatter to be minimized in a ring laser, preferably in one that oscillates about its sensor axis.

Die Erfindung ermöglicht weiter die Servoeinstellung mindestens eines Eckspiegels eines Ringlasers in eine solche Position, dass die Summe oder die Differenz der Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen ein Minimum wird. The invention further enables the servo adjustment of at least one corner mirror of a ring laser in such a position that the sum or the difference of the alternating current amplitudes of the shafts rotating against one another becomes a minimum.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen beispielsweise beschrieben. In der Zeichnung zeigt: The invention is described below with reference to the accompanying drawings, for example. The drawing shows:

Fig. 1 eine Schnittansicht eines Ringlasers mit Eckspiegeln, 1 is a sectional view of a ring laser with corner mirrors,

Fig. 2 ein Computerflussdiagramm für eine Summierroutine zur Servoregelung eines Eckspiegelsystems, und Fig. 2 is a computer flow diagram for a summing routine for servo control of a corner mirror system, and

Fig. 3 ein Flussdiagramm für eine Differenzroutine. Fig. 3 is a flowchart for a difference routine.

Fig. 1 zeigt einen Ringlaser, der für die Verwendung als Gyroskop in einem starren Block 10 angeordnet ist. Im Block 10 ist ein polygonarer Hohlraum 12 ausgebildet, der den Laserweg 14 enthält und mit einem lasernden Gas, zum Beispiel einer Mischung von Helium 3, Neon 20 und Neon 22, gefüllt ist. Der Laserweg ist dreieckförmig, könnte jedoch auch eine andere vieleckige Form haben und muss nicht in einer Ebene liegen. Typischerweise ist der Laserweg dreieckig oder viereckig. An den Ecken des Laserwegs sind Eckspiegel 16A, 16B, 16C vorgesehen, wodurch das Laserlicht derart reflektiert wird, dass es den Laserweg auf einer geschlossenen Bahn im Uhrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn durchläuft. Der Laser wird in Verstärkungsabschnitten 18 stimmu-liert, in denen Elektronen und Ionen zwischen Kathoden 24 1 shows a ring laser which is arranged in a rigid block 10 for use as a gyroscope. In block 10, a polygonal cavity 12 is formed, which contains the laser path 14 and is filled with a laser gas, for example a mixture of helium 3, neon 20 and neon 22. The laser path is triangular, but could also have a different polygonal shape and does not have to lie in one plane. The laser path is typically triangular or quadrangular. Corner mirrors 16A, 16B, 16C are provided at the corners of the laser path, as a result of which the laser light is reflected in such a way that it travels the laser path in a clockwise and counterclockwise direction on a closed path. The laser is tuned in gain sections 18, in which electrons and ions between cathodes 24

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und Anoden 26 durch das Lasergas wandern. Die Anoden 26 und Kathoden 24 sind über Hilfshohlräume 28 mit den Verstärkungsabschnitten 18 verbunden. Eine Schaltung 32 regelt die Länge des Laserwegs durch Einstellen von einem der Spiegel 16A, 16B, 16C nach einwärts und auswärts derart, and anodes 26 migrate through the laser gas. The anodes 26 and cathodes 24 are connected to the reinforcing sections 18 via auxiliary cavities 28. A circuit 32 regulates the length of the laser path by adjusting one of the mirrors 16A, 16B, 16C in and out so

dass diese Länge immer ein Vielfaches einer Wellenlänge des Laserlichts ist. Jeder der Spiegel 16A, 16B, 16C kann auch zum Korrigieren der Rückstreuung eingestellt werden. Wenn ein Spiegel zur Korrektur der Rückstreuung verwendet wird, ist er nicht mit der Schaltung 32 zum feinstellen der Laserweglänge verbunden. Eine logische Schaltung 34 veranlasst die Schaltung 32 zur Abgabe von Einstellsignalen an den Spiegel, der gerade nicht zur Korrektur der Rückstreuung verwendet wird. that this length is always a multiple of a wavelength of the laser light. Each of the mirrors 16A, 16B, 16C can also be adjusted to correct the backscatter. When a mirror is used to correct the backscatter, it is not connected to the circuit 32 for fine tuning the laser path length. A logic circuit 34 causes the circuit 32 to emit setting signals to the mirror which is not currently being used to correct the backscatter.

Jedem Spiegel ist ein piezoelektrischer Wandler 36A, 36B bzw. 36C zugeordnet, beispielsweise von der Art, wie in der US-PA Serial Nr. 74 619, eingereicht am 12.9.79, mit dem Titel «Controllable Mirror» beschrieben. A piezoelectric transducer 36A, 36B or 36C is assigned to each mirror, for example of the type described in US Pat. No. 74,619, filed on September 12, 1979, entitled “Controllable Mirror”.

Die Anordnung zur Regelung der optischen Weglänge des Laserhohlraums kann von der Art sein, wie in der am 1.5.79 veröffentlichen US-PS Nr. 4 162 072 beschrieben. The arrangement for regulating the optical path length of the laser cavity can be of the type described in US Pat. No. 4,162,072 published on May 1, 1979.

Bei kleinen Winkelgeschwindigkeiten besitzen die gegeneinander umlaufenden Wellen angenährt die gleiche Frequenz und haben die Neigung auf die gleiche Frequenz einzurasten. Dieser Einrasteffekt wird durch Rückstreuung von Licht von der einen Umlaufrichtung in die andere und durch die Synchronisation des primären Lichts mit dem rückgestreuten Licht bewirkt. At low angular velocities, the waves rotating against each other have approximately the same frequency and have the tendency to lock onto the same frequency. This snap-in effect is caused by backscattering light from one direction of rotation in the other and by the synchronization of the primary light with the backscattered light.

Das durch Rückstreuung verursachte Frequenzeinrasten kann verhindert werden wenn sich die Winkelgeschwindigkeit des Ringlasers nur während eines kleinen Teils der Gesamtzeit im Einrastbereich der Winkelgeschwindigkeiten befindet. Dies wird durch die Oszilliereinrichtung 42 erreicht, die den Ringlaser um seine Fühlerachse 40 in mechanische Oszillationen versetzt. Die Oszillationen können zyklische, sinusförmige oder regellose Schwingungen sein. Die Oszillationen bewirken eine Frequenzmodulation der gegeneinander umlaufenden Laserwellen. Durch Einstellen der Frequenz oder Geschwindigkeit und der Amplitude der Oszillationen kann erreicht werden, dass sich die Winkelgeschwindigkeit des Ringlasers nur während eines kleinen Teils der Gesamtzeit im Einrastbereich befindet. The frequency snapping caused by backscattering can be prevented if the angular velocity of the ring laser is within the snapping range of the angular velocities only for a small part of the total time. This is achieved by the oscillating device 42, which sets the ring laser into mechanical oscillations about its sensor axis 40. The oscillations can be cyclic, sinusoidal or irregular vibrations. The oscillations cause frequency modulation of the laser waves rotating against each other. By adjusting the frequency or speed and the amplitude of the oscillations it can be achieved that the angular velocity of the ring laser is only in the snap-in area for a small part of the total time.

Die effektiven Weglängen der gegeneinander umlaufenden Wellen können auch mit Hilfe von Faraday-Effekten eingestellt werden, wie es in der am 19.3.68 veröffentlichten US-PS 3 373 650 mit dem Titel «Laser Angular Rate Sensor» beschrieben ist. The effective path lengths of the mutually rotating waves can also be set with the aid of Faraday effects, as described in US Pat. No. 3,373,650 published on March 19, 1968 with the title “Laser Angular Rate Sensor”.

Durch entsprechendes Einstellen der Spiegel 16A, 16B, 16C lässt sich die Rückstreuung von Laserlicht und damit die Neigung zum Frequenzeinrasten, verringern. By adjusting the mirrors 16A, 16B, 16C accordingly, the backscattering of laser light and thus the tendency towards frequency locking can be reduced.

Wie festgestellt wurde, ist die Rückstreuung durch die Spiegel dann minimal, wenn die Summe der Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Hüllkurven ein Minimum ist. As has been found, backscatter from the mirrors is minimal when the sum of the AC amplitudes of the frequency modulated envelopes is a minimum.

Bei einem erfindungsgemässen Verfahren wird die Summe der Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Hüllkurven zuerst für einen Spiegel auf ein Minimum gebracht, dann für einen weiteren Spiegel usw. bis diese Summe für alle Spiegel ein Minimum hat. In a method according to the invention, the sum of the alternating current amplitudes of the frequency-modulated envelopes is first brought to a minimum for one mirror, then for another mirror, etc. until this sum has a minimum for all mirrors.

Nachdem die Summe der Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Hüllkurven für alle Spiegel minimalisiert wurde, werden die Spiegel aufeinanderfolgend zum Verringern der Differenz zwischen den Wechselstromamplituden der frequenzmodulierten Hüllkurven bewegt. Damit nicht die Einstellung der Spiegel zum Minimalisieren der Summe verschlechtert wird, werden die Differenzen nur verringert, und nicht auf den kleinst möglichen Wert gebracht. Zu diesem Zweck kann beispielsweise für die Verringerung der Differenzsignale die Grösse der Verstellung der Spiegel auf einen vorbestimmten kleinen Wert beschränkt sein. After the sum of the AC amplitudes of the frequency modulated envelopes is minimized for all mirrors, the mirrors are moved sequentially to reduce the difference between the AC amplitudes of the frequency modulated envelopes. In order not to impair the setting of the mirrors to minimize the sum, the differences are only reduced and not brought to the smallest possible value. For this purpose, the size of the adjustment of the mirrors can be limited to a predetermined small value, for example, to reduce the difference signals.

Mindestens zwei der Spiegel 16A, 16B, 16C sind teilweise lichtdurchlässig, so dass zwei lichtempfindliche Fühler wie die Photodioden 44 und 46 zum Überwachen der beiden gegeneinander umlaufenden Laserstrahlen verwendet werden können. Zwei andere Photodetektoren an einem anderen lichtdurchlässigen Spiegel werden zusammen mit einer Kombiniereinrichtung, wie sie in der US-PS 3 373 650 beschrieben ist, zum Messen des Heterodyn-Differenzfrequenz-Gyrosi-gnals verwendet. Die Ausgangssignale der Photodioden 44 und 46 werden der Schaltung 32 zur Regelung der Gesamtlänge des Laserhohlraums sowie der logischen Schaltung 34 für die Minimalisierung der Rückstreuung der Spiegel zugeführt. At least two of the mirrors 16A, 16B, 16C are partially translucent, so that two light-sensitive sensors such as the photodiodes 44 and 46 can be used to monitor the two mutually rotating laser beams. Two other photodetectors on another translucent mirror are used in conjunction with a combiner as described in U.S. Patent 3,373,650 to measure the heterodyne differential frequency gyros signal. The output signals of the photodiodes 44 and 46 are fed to the circuit 32 for regulating the total length of the laser cavity and to the logic circuit 34 for minimizing the backscattering of the mirrors.

Die Verbindung 50 zwischen der logischen Schaltung 34 und der Schaltung 32 zeigt an, dass die Schaltung 34 die Schaltung 32 jeweils auf den Spiegel schaltet, der gerade nicht zum Minimalisieren der Rückstreuung benötigt wird. The connection 50 between the logic circuit 34 and the circuit 32 indicates that the circuit 34 switches the circuit 32 to the mirror, which is not currently required to minimize the backscatter.

Typischerweise werden die Photodioden 44,46 an einem Spiegel verwendet, während der zweite Spiegel zum Einstellen der Hohlraumlänge und der dritte Spiegel zum Korrigieren der Rückstreuung verwendet wird. Anschliessend werden die Spiegel, wie noch später beschrieben, umgeschaltet. Die Steuerung der Wandler ist durch die Pfeile zu diesen Wandlern angezeigt. Typically, photodiodes 44, 46 are used on one mirror, while the second mirror is used to adjust the cavity length and the third mirror is used to correct the backscatter. The mirrors are then switched as described later. The control of the converters is indicated by the arrows for these converters.

Die Oszilliereinrichtung bewirkt Oszillationen des Ringlasers bis zu 500 Hz und die Amplitude der Oszillationen ist so gewählt, dass die Frequenz der in Gegenrichtung umlaufenden Wellen über einen Bereich von ± 250 000 Hz frequenzmoduliert ist. Die Oszillationen sind bei Frequenzen, welche nicht grösser als 500 Hz sind, zyklisch und sinusförmig. Wenn die Oszillationen regellos erzeugt werden, sollte die höchste Frequenzkomponente der gegeneinander umlaufenden frequenzmodulierten Wellen angenähert ± 250 000 Hz betragen. Vorzugsweise umfasst die Schaltung 32 zum Einstellen der Länge des Laserhohlraums eine Servoregelung, welche im Vergleich zur Ansprechgeschwindigkeit der logischen Schaltung 34 schnell ist. Dadurch kann die Länge des Hohlraums durch einen Spiegel kontinuierlich abgestimmt werden, der angepasst an die Bewegung der anderen, zum Minimalisieren der Rückstreuung dienenden Spiegel bewegt wird. The oscillating device effects oscillations of the ring laser up to 500 Hz and the amplitude of the oscillations is selected so that the frequency of the waves rotating in the opposite direction is frequency-modulated over a range of ± 250,000 Hz. The oscillations are cyclic and sinusoidal at frequencies that are not greater than 500 Hz. If the oscillations are generated randomly, the highest frequency component of the frequency-modulated waves rotating against one another should be approximately ± 250,000 Hz. Preferably, the circuit 32 for adjusting the length of the laser cavity includes a servo control that is fast compared to the response speed of the logic circuit 34. As a result, the length of the cavity can be continuously adjusted by means of a mirror which is adapted to the movement of the other mirrors which serve to minimize backscattering.

In Fig. 2 bedeutet «L» das Einstellsignal zum Einstellen der Einwärts-Auswärtsposition der Spiegel 16A, 16B, 16C und der piezoelektrischen Wandler 36A, 36B, 36C. Der Index «i» bezeichnet den jeweiligen Wandler 36A, 26B oder 36C der mit dem Signal L beaufschlagt ist. Bei dem dargestellten Ringlaser entsprechen die Indexzahlen «1,2,3» den Kennbuchstaben «A, B, C» der Spiegel und Wandler. In Fig. 2, "L" means the setting signal for setting the inward-outward position of the mirrors 16A, 16B, 16C and the piezoelectric transducers 36A, 36B, 36C. The index “i” designates the respective converter 36A, 26B or 36C to which the signal L is applied. In the ring laser shown, the index numbers “1,2,3” correspond to the code letters “A, B, C” of the mirrors and converters.

«AMi, AM2» sind die Wechselstromamplituden der durch die Photodioden 44,46 abgefühlten frequenzmodulierten Signale. “AMi, AM2” are the AC amplitudes of the frequency-modulated signals sensed by the photodiodes 44, 46.

«Ai, A2» sind die gespeicherten Signale, welche für die von den Photodioden 44,46 abgefühlten Signale repräsentativ sind. «A3, A4» sind die Signale, welche unmittelbar vor dem Abfühlen der Signale Ai, A2 gespeichert wurden. Das durch die Gleichung A = (Ai + A2) — (A3 + A4) gegebene Signal «A» wird zum Minimalisieren der Summe der Signalamplituden der beiden gegeneinander umlaufenden Wellen verwendet, wie in Fig. 2 dargestellt. “Ai, A2” are the stored signals which are representative of the signals sensed by the photodiodes 44, 46. “A3, A4” are the signals that were saved immediately before the signals Ai, A2 were sensed. The signal "A" given by the equation A = (Ai + A2) - (A3 + A4) is used to minimize the sum of the signal amplitudes of the two mutually rotating waves, as shown in FIG. 2.

Das Verfahren kann auch ohne Computer durchgeführt werden. Zu diesem Zweck werden zwei Wechselspannungsmesser an die Photodioden 44,46 angeschlossen und die Summe ihrer Anzeigen in einer Tabelle festgehalten. Einige Sekunden später wird einer der Wandler 36B, 36C in der einen oder anderen Richtung über eine kleine Strecke bewegt und wieder die Summe der Anzeigen der Wechselspannungsmesser gebildet. Wenn diese zweite Summe grösser als die The process can also be carried out without a computer. For this purpose, two AC voltmeters are connected to the photodiodes 44, 46 and the sum of their displays is recorded in a table. A few seconds later, one of the transducers 36B, 36C is moved in one direction or the other over a small distance and the sum of the displays of the AC voltmeters is again formed. If this second sum is greater than that

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

50 50

55 55

60 60

65 65

5 5

652 245 652 245

erste Summe ist, ist die Bewegungsrichtung des Wandlers umzukehren. Der Wandler wird schrittweise weiterbewegt, bis die Summe der Anzeigen ein Minimum ist. first sum is to reverse the direction of movement of the transducer. The converter is moved step by step until the sum of the displays is a minimum.

In ähnlicher Weise kann auch eine analoge Servoanord-nung verwendet werden. Die von den Photodioden 44,46 gelieferten Signale werden in Tiefpassfiltern gefiltert und dann Spitzenspannungsmessschaltungen zugeführt, deren Ausgangssignale in einer Summierschaltung summiert werden. Das Summensignal dieser Schaltung wird zum Servo-regeln der Wandler 36A oder 36B verwendet, bis die Summe ein Minimum ist. Similarly, an analog servo arrangement can also be used. The signals supplied by the photodiodes 44, 46 are filtered in low-pass filters and then fed to peak voltage measuring circuits, the output signals of which are summed in a summing circuit. The sum signal of this circuit is used to servo the transducers 36A or 36B until the sum is a minimum.

Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 wird zuerst Ai und A2 ermittelt und in einem Speicher gespeichert. Dann werden Ai und A2 als A3 und A4 zu einem weiteren Speicher übertragen, der Wandler 36B um einen kleinen Schritt bewegt und ein neues Ai und A2 gespeichert. Die tatsächliche Übertragung der Signale von einem Speicher zum anderen ist nicht notwendig, solange der Computer mit der Position von jedem Datenstück Schritt hält. Dann wird Ai + A2 von A3 + A4 subtrahiert. Wenn das Vorzeichen von A negativ ist, zeigt dies an, dass die schrittweise Bewegung des Wandlers 36B in der richtigen Richtung erfolgte. Dann wird das Einstellsignal L2 für den Wandler 36B wieder um einen kleinen Wert AV mit dem gleichen Vorzeichen geändert und das Ganze so lange wiederholt, bis A positiv wird. In the preferred exemplary embodiment according to FIG. 2, Ai and A2 are first determined and stored in a memory. Then Ai and A2 are transferred to another memory as A3 and A4, the converter 36B is moved a small step and a new Ai and A2 are stored. The actual transfer of the signals from one memory to another is not necessary as long as the computer keeps pace with the position of each piece of data. Then Ai + A2 is subtracted from A3 + A4. If the sign of A is negative, it indicates that the incremental movement of transducer 36B was in the correct direction. Then the setting signal L2 for the converter 36B is changed again by a small value AV with the same sign and the whole is repeated until A becomes positive.

Wenn A positiv wird, wird L2 um — AV geändert und umgekehrt, so dass das Signal A um seinen Minimalwert schwankt. Nachdem sich das Vorzeichen von AV «n»-mal geändert hat (n = eine vorbestimmte Zahl), schaltet die Regelschaltung von Lz auf L3, welches Signal den Wandler 36C positioniert. Der Vorgang wird mit dem Wandler 36C wiederholt, bis A wieder den Minimalwert hat. Anschliessend erfolgt das Gleiche mit dem Wandler 36A. When A becomes positive, L2 is changed by - AV and vice versa, so that signal A fluctuates around its minimum value. After the sign of AV has changed “n” times (n = a predetermined number), the control circuit switches from Lz to L3, which signal positions the converter 36C. The process is repeated with converter 36C until A again has the minimum value. The same then takes place with the converter 36A.

Wenn während des Minimalisierens der Summe der Wechselstromamplituden der gegeneinander umlaufenden Wellen ein Wandler und damit der diesem zugeordnete Spiegel seine Endstellung erreicht, wird dies festgestellt und der Wandler zusätzlich mit einer Teilspannung Vi entgegengesetzter Polarität beaufschlagt, so dass der mit dem Wandler verbundene Spiegel um eine Wellenlänge des Laserlichts aus seiner Endstellung bewegt wird. If, during the minimization of the sum of the alternating current amplitudes of the mutually rotating waves, a converter and thus the mirror assigned to it reaches its end position, this is determined and the converter is additionally subjected to a partial voltage Vi of opposite polarity, so that the mirror connected to the converter has a wavelength the laser light is moved from its end position.

Nach dem Minimalisieren der Summe der Wechselstromamplituden (oder Wechselamplituden) der gegeneinander umlaufenden Wellen ist es erwünscht, jedoch nicht notwendig, auch die Differenzen zwischen den Wechselstromampli-5 tuden der gegeneinander umlaufenden Wellen zu minimalisieren. Zu diesem Zweck wird, wie Fig. 3 zeigt, die Differenz zwischen Ai und Ai gespeichert und der entsprechende Wandler durch ein vorbestimmtes AV eine kleine Strecke bewegt. Die Signale werden wieder ermittelt und die neue 10 Differenzamplitude von der alten Differenzamplitude abgezogen, um festzustellen, ob der Wandler in der richtigen Richtung bewegt wurde. Wenn dies der Fall ist, wird der Vorgang wiederholt, wenn nicht, wird das Vorzeichen von V umgekehrt. Dieser Vergleich wird nur eine vorbestimmte Anzahl 15 von «m»-malen durchgeführt, da die völlige Minimalisierung der Differenz die vorherige Kalibrierung zum Minimalisieren der Summe verschlechtern würde. Die Verringerung der Differenz durch nur m-maligen Vergleich bewirkt nur eine geringfügige Abweichung der Position der Spiegel und Wand-20 1er von derjenigen, in der die Summe der Spiegel ein Minimum ist. Der Gewichtungsfaktor nOm wird für jedes Gyroskop passend gewählt. After minimizing the sum of the alternating current amplitudes (or alternating amplitudes) of the mutually rotating waves, it is desirable but not necessary to also minimize the differences between the alternating current amplitudes of the mutually rotating waves. For this purpose, as shown in FIG. 3, the difference between Ai and Ai is stored and the corresponding converter is moved a small distance by a predetermined AV. The signals are determined again and the new difference amplitude is subtracted from the old difference amplitude in order to determine whether the converter has been moved in the correct direction. If this is the case, the process is repeated, if not, the sign of V is reversed. This comparison is only carried out a predetermined number 15 times “m”, since the complete minimization of the difference would deteriorate the previous calibration to minimize the sum. The reduction of the difference by only m-times comparison causes only a slight deviation of the position of the mirrors and wall 20s from that in which the sum of the mirrors is a minimum. The weighting factor nOm is selected appropriately for each gyroscope.

Nach der Verringerung der Differenz durch m-maligen Vergleich mit einem Spiegel wird der Vorgang mit dem zwei-25 ten Spiegel und dann mit dem dritten Spiegel wiederholt. After reducing the difference by comparing m times with a mirror, the process is repeated with the second-25th mirror and then with the third mirror.

Wenn die Differenz durch Einstellen aller Spiegel verringert ist, wird das Minimalisieren der Summe der Wechselstromsignale mit allen Spiegeln wiederholt. If the difference is reduced by adjusting all mirrors, then minimizing the sum of the AC signals is repeated with all mirrors.

Die Vorgänge werden in der beschriebenen Reihenfolge 30 fortgesetzt, bis das optimale Ergebnis erzielt ist. The operations continue in the order described 30 until the optimal result is achieved.

Während ein Spiegel wie vorstehend beschrieben eingestellt wird, wird ein anderer Spiegel durch die schnelle Servo-schaltung 32 zum Aufrechterhalten der richtigen Hohlraumlänge eingestellt. Da sich der eine Spiegel nur langsam 35 bewegt, hat seine Bewegung keinen Einfluss auf die Abstimmung der Hohlraumlänge. While one mirror is being adjusted as described above, another mirror is being adjusted by the fast servo circuit 32 to maintain the correct cavity length. Since one mirror moves only slowly, its movement has no influence on the adjustment of the cavity length.

Durch die beschriebene aufeinanderfolgende Positionierung der Spiegel des Ringlasers werden Rückstreuung und damit die Tendenz zum Frequenzeinrasten minimalisiert. The described successive positioning of the mirrors of the ring laser minimizes backscattering and thus the tendency towards frequency locking.

G G

3 Blatt Zeichnungen 3 sheets of drawings

Claims

652 245 652 245

2 2nd

PATENTANSPRÜCHE PATENT CLAIMS

1. Ringlaser mit mehreren Eckspiegeln, Wandlern zum Einstellen der Position der Spiegel, einer Fühlereinrichtung zum Feststellen der Wechselstromamplituden der beiden auf dem Laserweg gegeneinander umlaufenden Laserlichtwellen, einer Oszilliereinrichtung um den Laserweg zur Frequenzmodulation der beiden Laserlichtwellen in mechanische Oszillationen um die Fühlerachse des Ringlasers zu versetzen, Servo-mittel zum Einstellen der Position von mindestens einem Spiegel zur Regelung und Abstimmung der Länge des Laserwegs, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zum Minimalisieren der Rückstreuung von Laserlicht von mindestens einem der Spiegel, welche mit der Fühlereinrichtung (44,46) verbundene Mittel umfasst zum Erzeugen von zwei Signalen, die ein Mass für die frequenzmodulierten Wechselstromamplituden sind sowie Summiermittel, welche die beiden Signale erhalten und ein Summensignal erzeugen, das ein Mass für die Summe der beiden Signale ist und Servomittel zum Einstellen der Position von mindestens einem der Spiegel um das Summensignal zu minimalisieren. 1.Ring laser with several corner mirrors, transducers for adjusting the position of the mirrors, a sensor device for determining the alternating current amplitudes of the two laser light waves circulating against each other on the laser path, an oscillating device for setting the laser path for frequency modulation of the two laser light waves into mechanical oscillations around the sensor axis of the ring laser , Servo means for adjusting the position of at least one mirror for regulating and adjusting the length of the laser path, characterized by a device for minimizing the backscattering of laser light from at least one of the mirrors, which comprises means connected to the sensor device (44, 46) Generating two signals which are a measure of the frequency-modulated AC amplitudes, summing means which receive the two signals and generate a sum signal which is a measure of the sum of the two signals, and servo means for adjusting the position of mi at least one of the mirrors to minimize the sum signal.

2. Ringlaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Übertragungsmittel zum aufeinanderfolgenden Übertragen von Servoeinstellsignalen an einzelne Spiegel. 2. Ring laser according to claim 1, characterized by transmission means for the successive transmission of servo setting signals to individual mirrors.

3. Ringlaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Mittel zum Abfühlen der Endposition der Wandler und Mittel, um die Position der Wandler und Spiegel schrittweise um eine ganze Zahl von Wellenlängen des Laserlichts zu ändern. 3. Ring laser according to claim 1, characterized by means for sensing the end position of the transducer and means for gradually changing the position of the transducer and mirror by an integer number of wavelengths of the laser light.

4. Ringlaser nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Subtrahiereinrichtung zum Subtrahieren der beiden, ein Mass für die Wechselstromamplituden darstellenden Signale voneinander zur Erzeugung eines Differenzsignals, welches ein Mass für die absolute Amplitude der Differenz zwischen den beiden Signalen ist, Übertragungsmittel zum Übertragen der Regelung der Position des genannten Spiegels vom Summensignal auf das Differenziersignal, wenn das Summensignal minimalisiert ist, und Mittel zum Begrenzen des Wegs des vom Differenzsignal bezüglich seiner Position geregelten Spiegels. 4. Ring laser according to claim 1, characterized by a subtracting device for subtracting the two signals representing a measure of the AC amplitudes from one another to generate a difference signal which is a measure of the absolute amplitude of the difference between the two signals, transmission means for transmitting the regulation of the Position of said mirror from the sum signal to the differentiating signal when the sum signal is minimized, and means for limiting the path of the mirror regulated in terms of its position by the difference signal.

5. Ringlaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Übertragungsmittel zum Übertragen von Servoeinstellsignalen der Reihe nach an einzelne Spiegel. 5. Ring laser according to claim 4, characterized by transmission means for transmitting servo setting signals in turn to individual mirrors.

6. Ringlaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Fühlermittel zum Abfühlen der Endposition der Wandler und Mittel, um die Position der Wandler und Spiegel um eine ganze Anzahl von Wellenlängen des Laserlichts zu ändern. 6. Ring laser according to claim 4, characterized by sensor means for sensing the end position of the transducers and means for changing the position of the transducers and mirrors by a whole number of wavelengths of the laser light.

7. Ringlaser nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch Übertragungsmittel, welche Fühlermittel zum Abfühlen des Wegs des genannten Spiegels in Abhängigkeit vom Differenzsignal umfassen, zum Übertragen der Regelung der Position des genannten Spiegels vom Differenziersignal auf das Summensignal. 7. Ring laser according to claim 4, characterized by transmission means which comprise sensor means for sensing the path of said mirror in dependence on the difference signal, for transmitting the control of the position of said mirror from the differentiating signal to the sum signal.

8. Ringlaser nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Übertragungsmittel zum Übertragen der Servoeinstellsignale der Reihe nach von einem Spiegel zum anderen Spiegel. 8. Ring laser according to claim 7, characterized by transmission means for transmitting the servo setting signals in sequence from one mirror to the other mirror.

9. Ringlaser nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch Fühlermittel zum Abfühlen der Endposition der Wandler und Mittel, um die Position der Wandler und Spiegel um eine ganze Anzahl von Wellenlängen des Laserlichts zu ändern. 9. Ring laser according to claim 7, characterized by sensor means for sensing the end position of the transducers and means for changing the position of the transducers and mirrors by a whole number of wavelengths of the laser light.

10. Ringlaser nach einem der Ansprüche 2 oder 4-9, dadurch gekennzeichnet, dass die Servomittel digitale Servomittel sind und die Übertragungsmittel einen digitalen Prozessor umfassen. 10. Ring laser according to one of claims 2 or 4-9, characterized in that the servo means are digital servo means and the transmission means comprise a digital processor.