DE1614607A1 - Ring-Laser-Vorrichtung - Google Patents

Description

Υ Al fcM IANWALIt

DIPL.-ING. CURT WALLACH

DiPL.-ING. GÜNTHER KOCH JO 1

DR, TINO HAIBACH

-SO, September 1967 11 033 - Wg/Re

Sperry Rand Corporation, Hew York, V»St.A,

Ring-Laser-Vörrichtung

Die Erfindung "bezieht sich auf Ringlaser und "besonders auf Torrichtungen zur Terminderung der Kopplung zwischen entgegengerichteten kohärenten im Ringlaser fortschreitenden Lichtstrahlen c .- . \ _

Bin Hinglaser '.«/eist eine in einem ebenen optischen Hohl- vä.\mi angeordnete Laserquelle auf, wobei der optische Hohlraum durch drei oder mehrere stark reflektierende Eckglieder gebildet wird, die von der Quelle ausgesandte. · entgegengesetzt fortschreitende Lichtstrahlen um einen gescülossenen Bchleifenweg leiten. Als Laserquelle kann irgendein laseraktives LIedium verwendet werden? eine von einem hohlen Rohr umschlossene Laser««Gasmischung wurde jedoch bevorzugt, weil beim gegenwärtigen Stand der Technik derartige Laser leicht in der Art einer ungedämpften

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■Welle betreibbar sind. Im allgemeinen werden Brewsterwinkel-Fenster zur Abdichtung der Enden des hohlen Rohrs und zuf Festlegung der Polarisation der von der Quelle ausgesandten lichtwellen verwendet, obwohl auch andere übliche Abdicht- und Polarisiervorrichtungen verwendet wurden. Der optische Hohlraum scMngt bei denjenigen Frequenzen, für die die optische 7/eglänge der geschlossenen Schleife einer ganzen Zahl der Lichtstrahlwellenlängen entspricht. Wenn daher ™ ihre optischen Weglängen identisch sind, schwingen die entgegengerichteten Lichtstrahlen bei der gleichen Frequenz! für ungleiche Pfadlängen schwingen sie bei unterschiedlichen Frequenzen, die durch eine der Differenz ihrer Pfadlängen proportionale Größe getrennt sind. Eine Möglichkeit zur Herstellung tintersehieiiieher '/'eglängen

um eine bestent in der Drehung Jes ßii:*;:.utiers^/r-ur Ebene der geschlossenen Scnleifenwege senkrechte Achse» In üieaeir. Beispiel rsuß der in Richtung der Drehung sich fortpflanzende Lichtstrahl eine größere Entfernung durchlaufen, um wiederum an seinem Startpunkt in dem geschlossenen Schleifenweg anzukommen, während der entgegengesetzt gerichtete" Strahl eine entsprechend kürzere Entfernung durchläuft. Infolgedessen schwingt der in !Richtung der Ringdrehungsich fortpflanzende Lichtstrahl bei einer niedrigeren Frequenz, als er es bei Nichtvorhandeneein der Drehung tat, weil eine längere Wellenlänge der Schwingungsanforderung genügt. In ähnlicher Weise schwingt der entgegen der

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Drehriehtung sich f oifcpflanzende licht strahl "bei einer höheren Frequenz. ^;X

Die Drehgeschwindigkeit oder die Differenz-Weglänge wird
gewöhnlich in der Weise gemessen, daß man aus dem Ring einen kleinen Teil der Energie in jedem Lichtstrahl durch 'Teil-Übertragung" mittels eines der Eekglieder entnimmt (auskoppelt) . Außerhalb des Rings angeordnete-Kombiniervorrichtungen machen die entnommenen Komponenten leolinear und richten sie auf einen Photodetektor, in dem sie zur Erzeugung eines zur Differenz zwischen den Frequenzen der Lichtstrahlen
proportionalen Schwebungsfrequenzsigiials überlagert werden. Für verhältnismäßig schnelle'-Drehung hängt die Schwelrungsfrequena linear von csr¹ Drehgeschwindigkeit at, ar er bei ^; Abnahme der Geschwindigkeit -.vira diese Abhängigkeit :?o: li.eiilich wegen der Kopplung nichulinear,· d*hv einer gegetisei" igen Wechselwirkung zwischen jeden: Lichtstrahl und einer r'iel:-
gestreuten Komponente des entgegengesetzt fortschreitencen ί Strahls. Die Rückstreuung i?r bis zn einem gewissen Grad
immer vorhanden, aber sie erzeugt eine Kopplung nur. cei
■verhältnismäßig niedrigen Br^ehgeschv/indigkeitenv Überdies
tritt die Kopplung normalerweise dann stärker hervor, wenn die optische J^eglängeabnimmx* "«Venn die drehgeschwindigkeit noch weiter verkleinertl wird, wird die-Kopplung schlieSlich stark genug, um das plötzliche Aufhören der Schwebungs-*
frequenz zu bewirken, und.zwar deshalb, weil die entgegen—■

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gerichteten Strahlen bei der gleichen Frequenz synchronisiert werden. Dieses Frequenz-Synchronisationsphänomen ^ wird als Mode-Verriegelung ("mode locking") bezeichnet, und die entsprechende Schwebungsfrequenz oder Drehgeschwindigkeit, bei der dieses Phänomen auftritt, wird Mode-Verriegelungsschwelle genannt·

Die Rückstreuung wird durch Staubteilchen, Zwischenflächen £ zwischen Medien mit verschiedenem Brechungsindex und Unvollkommenheiten in den im Ring enthaltenen Komponenten bewirkt. Eine sorgfältige Kontrolle der Umgebung zur Beseitigung des Staubes und die Verwendung optischer Bestandteile von hoher Güte mit optischen Präzisionsoberflächen verkleinert die Rückstreuung wesentlich und senkt die Mode-Verriegelungsschwelle. Aber.auch mit diesen Verfeinerungen ist die Möde-Verriegelungsschwelle für viele Anwendungen. . ,noch zu hoch. Bekannte Ringlaser enthielten daher häufig ■ zur Umgehung des Mode-Verriegelungsproblems Vorrichtungen, wie beispielsweise eine Licht-Fortpflanzungsvorrichtung, die verschiedene Fortpflanzungskonstanten für Lichtstrahlen mit irgendeiner' verschiedenen charakteristischen Differenz aufweist. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist ein elektro-optisches doppelbrechendes Material mit orthogonalen Hauptachsen, in dem eben polarisierte Lichtwellen, die parallel zu den "entsprechenden Hauptachsen ausgerichtet sind, mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten fortschreiten.

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¹ Infolgedessen wird eine nominelle Differenz-Weglänge und entsprechende Sohwebungs·» oder Vorspannfrequenz für die Lichtstrahlen erzeugt, sogar dann, wenn sich der Hing im stationären Zustand befindet* Die Drehung erhöht oder vermindert dann abhängig vom Drehsinn die Schwebungsfrequenz von ihrem nominellen Wert aus. Der dynamische Betriebsbereich des Ringlasers als Dreh-Abfühlinstrument ist somit durch die Differenz zwischen der nominellen Vorspannfrequenz und der Mode-Verrieg'elungsschwelle bestimmt, unglücklicherweise erzeugt das doppelbrechende Material und die weiterhin zur Herstellung der Qrthogonalität zwischen der Orientierung der entgegengesetzten eben polarisierten Strahlen vorhandenen Bauteile zusätzliche Rückstreuung, wodurch die Mode-Verriegelungsschwelle noch höher und der dynamische Betriebsbereioh proportional abgesenkt wird.

Es wurde "-beobachtet, daß für'das Auftreten der Kopplung, die rückgestreute Komponente des einen lichtStrahls und der entgegengesetzt fortschreitende Lichtstrahl identisch polarisiert sein muß. Ferner wurde festgestellt, daß die durch einen laser ausgesandten stark kohärenten Lichtstrahlen nur leicht bei Rückstreuung durch ein Reflexionsteil entpolarisiert werden, was zur Folge hat, daß die reflektierten Komponenten von eben polarisiertem und zirkulär polarisiertem Licht ihre ursprüngliche Polarisation beibehalten, mit der Ausnähme^ daß der Sijan-'des zirkulär

polarisierten Lichtes umgekehrt wird, d.h., wenn das einfallende Licht recht8-zirkular polarisiert ist, wird es nach Reflexion links-polarieiert und umgekehrt. Infolgedessen wird die Kopplungsneigung dann vergrößert, wenn die entgegengeriohteten Lichtstrahlen an einem gemeinsamen Funkt des optischen Hohlraums die gleiche Polarisation besitzen. Dies, war hei den bekannten Ringlasern tatsächlich

) der Fall, weil die Brewsterwinkel-Fenster an den Enden des Laserrohres nur plan polarisiertes Licht mit einer vorgeschriebenen Orientierung durch das Lasermedium laufen lassen» Nichtsdestoweniger wurde diese Betriebsart bevorzugt, weil sie nicht nur gewährleistet, daß die optischen Pfadlängen der entgegengerichteten Lichtstrahlen weder durch Spannungen in den Brewsterwinkel-Fenstern noch durch zufällige zeitverändernde Doppelbrechung des Lasermediums beeinflußt werden und auch mit dem Erfordernis vereinbar

. ist, daß eben polarisierte Lichtstrahlen entweder parallel oder senkrecht zur Ebene des Rings polarisiert sein müssen, um in den von den Eckgliedern reflektierten Lichtstrahlen ■ Verzerrung, d.h. elliptische Polarisation zu vermeiden.

In der gegenwärtigen Praxis wurde normalerweise senkrechte

i Polarisation bevorzugt, weil sie die durch Absorption und Durchlässigkeit der Eckglieder bewirkten Verluste klein hält· Biese Verluste können jedoch nunmehr durch Verwendung von mehrschichtigen dielektrischen Eokgliedern vermindert werden, die einen sthr niedrigen Verlust für ent-

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!Weder zirkulär polarisierte oder vertikal oder horizontal plan polarisierte Lichtstrahlen erzeugen.

Eine Hauptaufgabe der Erfindung besteht demnach darin, einen Ringlaser zu schaffen, bei dem die entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahlen bezüglich einander derart polarisiert sind, daß die Kopplung zwischen diesen wesentlich vermindert ist» "

Eine «eitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Ringlaser derart auszubilden, daß die entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahlen bezüglich einander derart polarisiert werden, daß die Mode-Verriegelungsschwelle vermindert wird·

Weiterhin ist gemäß der Erfindung ein Ringlaser vorgesehen, bei dem die entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahlen g nur während ihres Durchlaufe durch das Lasermedium identisch eben polarisiert sind, um zu verhindern, daß ihre optischen Weglängen in Form einer geschlossenen Schleife unterschiedlich beeinflußt werden, und zwar entweder durch zeitliche Änderungen der Doppelbrechung des Lasermediums oder durch Spannungswirkungen in den an jedem Ende des Lasermediums angeordneten Polarisierteilen.

Schließlich ist gemäß der Erfindung ein Ringlaser vorgesehen,

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bei dem die Amplitude des in das Lasermedium übertragenen zurückgestreuten Lichts wesentlich vermindert iet.

; Ferner sieht die Erfindung einen Ringlaser vor, bei dem die durch die Verwendung einer Kombiniervorrichtung, welche einen der entnommenen Lichtstrahlen in entgegengesetzter Richtung zu seiner ursprünglichen Portpflanzungsrichtung zurück in den Ring überträgt, bewirkte Kopplung wesentlich P vermindert wird.

Schließlich ist gemäß der Erfindung ein Ringlaser vorgesehen, bei dem die entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahlen derart polarisiert sind, daß jeder Lichtstrahl und eine zurückgestreute Komponente des entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahls orthogonal polarisiert sind.

. Die genannte Hauptaufgabe und deren Teilaufgaben, sowie . weitere Ziele der Erfindung werden gemäß der Erfindung durch das Vorsehen von Polarisationsumwandlern gelöst, die im Pfad der entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahlen nächst den Enden des Lasermediums angeordnet sind. Jeder Polarisationsumwandler stellt die Polarisation des vom nahe gelegenen Ende des Lasermediums kommenden Lichtstrahls derart ein, daß an jedem gemeinsamen Punkt in dem optischen Hohlraum - ausgenommen dort, wo das Lasermedium angeordnet ist jeder entgegengerichtete Lichtstrahl und eine rückgestreute

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Komponente des entgegengesetzt fortschreitenden lichtstrahls orthogonal polarisiert sind. Die Polarisationswandler stellen auch die Polarisation der in das Lasermedium wieder eintretenden Lichtstrahlen derart ein, daß die entgegengerichteten Lichtstrahlen während ihres Durchgangs durch das Lasermedium identisch plan polarisiert sind. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Polarisationsumwandler zirkulär polarisierende Elemente, welche plan polarisierte Lichtstrahlen in zirkulär polarisierte Lichtstrahlen umwandeln, die auf den kreisförmigen Wegen umlaufen, mit Ausnahme des Teiles zwischen den Zirkular-Polarisatoren, wo das Lasermedium angeordnet ist. Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Polarisationsumwandler

die

optische Drehvorrichtungen, die tfcatxdani Polarisationsebene

drehen

des auf ihnen einfallenden Lichtes nm3cäat£8X imd dabei plan polarisiertes Licht .einer Orientierung in plan polarisiertes Licht einer unterschiedlichen Orientierung umwandeln. " . "

Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung»' in der Zeichnung, in der gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, bei dem die entgegenge-

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setzten Lichtstrahlen längs des Haupt teils der

pins

Suuixif örmigen Wege zirkulär polarisiert sind;

Figur 2 eine Draufsicht auf ein anderes Ausführungsbeispiel

der Erfindung, bei dem zirkulär polarisierte Lichtring strahlen um den Hauptteil der örmigen 7/ege herum fortschreiten und eine unterschiedliche Kombi— niervorrichtung verwendet ist;

Figur 3 eine perspektivische Ansicht eines weiteren, gemäß der Erfindung ausgebildeten Ausführungsbeispiels, bei dem die entgegengerichteten Lichtstrahlen um den Hauptteil der loceef örmigen Wege herum orthogonal eben polarisiert sind.

In Fig. 1 ist ein planarer triangulärer optischer Resonanz— hohlraum gezeigt, der durch drei Sckspiegel 10, 11 und 12 gebildet Bt. Zwischen zwei benachbarten Ecken ist ein Rohr 14 angeordnet, welches .ein Iaseraktive3 Medium, wie beispielsweise die Standard-Helium-Gasmischung enthält. Die Gasmischung wird durch einen Hochfrequenzgenerator 15 angeregt, der in einem Frequenzbereich von 20 LiHz bis 30 LiHz arbeitet; das Ausgangssignal des Hochfrequenzgenerators ist durch Leitungen 16 und 17 mit den nahe den Enden des

t Rohres angeordneten Ringelektroden 18 und 19 verbunden.

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Optische Ebenen 20 und 21, welche die Enden des Rohres/versiegeln, sind bezüglich der Längsachse des Rohres um den Brewsterwinkel geneigt und wirken als Polarisatoren, die

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parallel zur Ebene des optischen Hohlraums plan polarisiertes Licht übertragen! derartiges Licht wird im folgenden als horizontal polarisiert bezeichnet. Die von jedem Ende des Rohrs 14 imitierten Lichtstrahlen werden aufeinanderfolgend von jedem Eckspiegel reflektiert und pflanzen sich somit in entgegengesetzten Richtungen rund um einen gemeinsamen ringförmigen (kreisförmigen) Weg fort, wobei sie mit der gleichen Frequenz schwingen, wenn ihre optischen Weg längen gleich sind. Da das horizontal polarisierte Licht in der Einfallsebene liegt, behalten die schwingenden Lichtstrahlen ihre Polarisation bei Reflexion durch die Eckspiegel bei. Den gleichen Vorgang erhält man bei plan polarisiertem Licht mit einer Polarisationsorientierung orthogonal zu dem horizontal polarisierten Licht? derart orthogonal orientiertes plan polarisiertes Licht wird im folgenden als vertikal polarisiert bezeichnet. PUr jede andere Orientierung, wird das plan polarisierte Licht bei Reflexion durch die Eckspiegel elliptisch polarisiert, mit dem Erfolg, daß die vertikal polarisierte Komponente stark gedämpft ist, wenn der Lichtstrahl in das Lasermedium wieder eintritt. Aus diesem Grunde sind die eben polarisierten, entgegengerichteten Lichtstrahlen gewöhnlich vertikal oder horizontal und vorzugsweise identisch polarisiert, insbesondere dann, wenn sie das Lasermedium durchlaufen, utr. aas Entstehen unterschiedlicher Weglängen zu verhindern, die entweder durch zufällige zeitlich veränderliche Doppelbrechung in der Gasxischung oder durch

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Spannung in den optischen Flächen mit Brewsterwinkel entstehen, was auftreten kann, wenn diese nicht identisch orientiert sind. Wenn die Weglängen der geschlossenen Schleife beispielsweise durch Drehung um eine zur Ebene des Laserhohlraums senkrechte Achse ungleich gemacht werden, schwingen die entgegengerichteten Lichtstrahlen bei verschiedenen Frequenzen. Es ist jedoch oftmals auch wünschenswert, daß unter-™ schiedliche Weglängen in der geschlossenen Sohleife sogar bei Nichtvorhandensein der Drehung vorhanden sind. Damit geht man nicht nur das oben erwähnte Kopplungsproblem, sondern gestattet auch die Bestimmung des Sinnes irgendeiner anderen different!eilen Weglängenstö'rung.

Eine spezielle Vorrichtung zur Erzeugung einer unterschiedlichen (differentiellen) ringförmigen Weglänge weist ein magnet-optisches Doppelbrechungsteil 22 auf, welches in Verbindung mit den Polarisiationsumwandlern 23 und 24 arbeitet. Die Polarisationsumwandler sind zirkuläre Polarisatoren, d.h. optische VrfertelwellenloegfeiL-Platten, die aus einem von Natur aus doppelbrechenden Material, wie beispielsweise kristallinem Quarz mit orthogonalen, senkrecht zur Fortpflanzungsrichtung der entgegengerichteten Lichtstrahltfen orientierten Hauptachsen F und S aufgebaut sind. Plan sowie parallel zur F-Achse poralisierte Lichtstrahlen pflanzen sich durch die Zirkularpolarisatoren mit größerer Geschwindigkeit fort als die parallel zur S-Achse

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polarisierten Lichtstrahlen. Die Zirkularpolarisatoren weisen parallel zur Richtung der Lichtfortpflanzung eine derartige Dicke auf, daß orthogonal plan polarisierte Lichtstrahlen, die beim Eintritt in die Zirkularpolarisatoren in-Zeitphase und ausgeriohtet mit den Hauptachsen sind, "beim Austreten um 90° außer Zeitphase sind, so daß das austretende Licht zirkulär polarisiert ist» TJm sowohl zur F- als auch zur S-Achse parallele Lichtstrahlenkomponenten zu erhalten, sind die Zirkularpolarisatoren mit

Haupt- ο

ihren/Achsen auf einen Winkel von 45 "bezüglich der horizontal polarisierten Lichtstrahlen orientiert.. Der durch die optische Fläche 21 übertragene horizontal polarisierte CW (= im Uhrzeigersinn laufende)-Lichtstrahl 29 tritt aus dem Zirkularpolarisator 23 als rechts-zirkular polarisiertes Licht aus und ist durch den Vektor 30 dargestellt? ein im Uhrzeigersinn - wenn man entgegen der Lichtfortpflanzungsrichtung "blickt - rotierender Lichtvektor wird als rechts— zirkulär polarisiert bezeichnet, während ein laex der glei— f chen Blickrichtung entgegen dem Uhrzeigersinn rotierender Lichtvektor als links-zirkular polarisiert bezeichnet

wird» -

Betrachtet man die Zirkularpolarisatoren von einer Stelle innerhalb des Rohres 14 her, so sieht man die Hauptachsen des Zirkularpolarisators 24 in Raum-Quadratur (um 90° verschoben) mit den Hauptachsen des Zirkularpolarisators 23.

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Wenn infolgedessen der zirkulär polarisierte CW-Lichtstrahl durch den Zirkularpolarisator 24 läuft, wird er in horizontal polarisiertes ι durch den Vektor 31 dargestelltes Licht umgewandelt. In ähnlicher Weise wird der durch den gestrichelten Vektor 32 dargestellte horizontal polarisierte CCW(entgegen dem Uhrzeigersinn laufende) Lichtstrahl durch den Zirkularpolarisator 24 in links-zirkular polarisiertes, durch den Vektor 33 dargestelltes Licht und sodann durch den Zirkularpolarisator 23 in horizontal polaj risiertes, durch den gestrichelten Vektor 34 dargestelltes Licht ungewandelt. Da der Drehsinn der zirkulär polarisierten Lichtstrahlen jedesmal umgekehrt wird, wenn sie reflektiert werden, wird der durch den Vektor 30 dargestellte rechtssinnige CW-Lichtstrahl nach Einfall auf den Spiegel 12 linkssinnig. In ähnlicher Weise wird der durch den gestrichelten Vektor 33 dargestellte linkssinnige CCW-Lichtstrahl nach Reflexion durch den Spiegel 11 rechtssinnig und nach Reflexion durch den Spiegel 10 linkssinnig. Das magnet-optische Doppelbrechungsteil 22 ist aus Glas oder einem anderen Material aufgetaut, weiches den klassischen Faraday-Effekt aufweist. Ein durch einen (nicht gezeigten) Permanent- oder Elektromagnet an das Doppeltrechungsteil parallel zur Licht-Fortpflanzungsrichtung angelegtes magnetisches PeId H "bewirkt, daß das Doppelbrechungsteil für die zirkulär polarisierten Wellen verschiedene Brechungsindices aufweist, und zwar für entgegengerichteten Drehsinn.

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bezüglich der Hiohtung des magnetischen Feldes. Obwohl sowohl die C\Y- als auch die COW-Lichtstrahlen beim Durchlaufen des Doppelbrechungsteils links-zirkular polarisiert sind, drehen sich ihre Polarisationsvektoren bezüglich der Richtung des Magnetfeldes in entgegengesetzten Richtungen. Dies bewirkt, daß die optischen Weglängen der geschlossenen Schleife für entgegengesetzt fortschreitende Lichtstrahlen verschieden sind, was zur Folge hat, daß sie mit verschie- denen Frequenzen schwingen. Der Ringlaser kann auch ohne Doppel-Brechungsteil 22 betrieben werden, aber ohne Rücksicht darauf, ob im optischen Hohlraum das Doppelbrechungsteil vorgesehen ist, sollte darauf hingewiesen werden, daß an jedem gemeinsamen Punkt im optischen Hohlraum die Polarisation der entgegengerichteten Lichtstrahlen von der Art ist, daß eine rückgestreute Komponente eines lichtstrahls gegenüber dem entgegengesetzt fortschreitenden lichtstrahl vorherrschend orthogonal polarisiert ist, so daß diese keine Kopplung bewirken können, da die zurückgestreuten Komponenten nicht f durch die optischen Flächen in das Lasermedium übertragen werden. Die Eckspiegel sind vorzugsweise aus mehrschichtigem Dielektrikum aufgebaut, um in den zirkulär polarisierten Lichtstrahlen Verzerrungen und Energieverluste zu minimieren.

Um einen starren Aufbau mit vermindertem Energieverlust zu erhalten, kann der optische Hohlraum wie in Figur 2 gezeigt aufgebaut sein? Figur 2 stimmt mit Figur 1 mit der Ausnahme

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überein, daß die Zirkularpolarisatoren 23 und 24 anders angeordnet und noch Prismen 36 und 37 vorgesehen sind. Der Energieverlust ist vermindert, weil der Brechungsindex der Prismen dem Brechungsindex der optischen Flächen und Zirkularpolarisatoren entspricht. Zusätzlich kann die Geometrie des Hohlraums derart eingestellt sein, daß die entgegengerichteten Lichtstrahlen auf die Rückseiten 38 und 39 der Prismen 36 bzw. 37 unter einem Winkel auftreffen, der größer ist als der kritische Winkel, um so totale innere Reflexion zu erzeugen. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird die Differenz zwischen der Frequenz der entgegengerichteten Lichtstrahlen in der Weise gemessen, daß man einen Teil der Energie in jedem Lichtstrahl durch den Eckspiegel 10 zu einer Kombiniervorrichtung überträgt, welche die übertragenen Strahlen kolinear und räumlich zusammenfallend zur Anwendung in einem Photodetektor macht, in welchem sie zur Herstellung eines Schwebungsfrequenzsignals proportional zur Differenz zwischen den Frequenzen der Lichtstrahlen überlagert werden. Der Teil des durch den Eckspiegel 10 übertragenen CW-LichtStrahls läuft direkt zum Analysator und auf den Photodetektor 26. Der Teil des aus dem Laserhohlraum entnommenen CCW-LichtStrahls trifft mit senkrechtem Einfall auf einen Spiegel 28 und wird zurück auf den Eckspiegel 10 reflektiert. Am Eckspiegel 10 wird der größte Teil der Energie im entnommenen GCT-Lichtstrahl zum Analysator 25 hin auf den Photodetektor 26 reflektiert,und zwar

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in kolinearer Beziehung zu dem entnommenen CW—Lichtstrahl, wobei aber ein Teil der Energie zurück in den Baaerhohlraum übertragen wird, wo sie entgegen ihrer ursprünglichen Laufrichtung fortsohreitet . Da der zurück in den Hohlraum übertragene Teil des entnommenen OOW-Strahls orthogonal polarisiert ist bezüglich des darin fortschreitenden CW-Strahls, koppeln sich diese Strahlen nicht. Infolgedessen vermindert die Fortpflanzung der in geeigneter Weise orientierten zirkulär polarisierten Lichtstrahlen um einen Hauptteil des · Rings herum nicht nur die durch interne Rückstreuung bewirkte Kopplung, sondern auch die durch Verwendung einer einfachen Kombiniervorrichtung erzeugte Kopplung. Der Analysator 25 ist vorgesehen, um identisch polarisierte Komponenten der entnommenen Lichtstrahlen zu entnehmen, da der Photodetektor nicht auf orthogonal zirkulär polarisierte Strahlen anspricht.

Bei dei in lig, 1 dargestellten Ausführungsbeispiel der ■Erfindung wird eine etwas andere Kombiniervorrichtung verwendet. Der CCW-Lichtstrahl wird aus dem optischen Hohlraum durch Teilübertragung mittels des Spiegels 10 entnommen, so daß er auf den Strahlenspalter 40 trifft und auf den Photodetektor 26 reflektiert wird. Der -'CW-Strahl wird | jedoch durch Teilübertragung mittels des Spiegels 12 entnommen und sodann vom Spiegel 41 auf den Strahlenspalter 40 reflektiert, so daß die durch den Strahlenspalter über-

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tragene Komponente kolinear mit dem entnommenen CCW-Lichtstrahl zur Anwendung am Photodetektor 26 ist, wo diese Strahlen zur Erzeugung eines zur Differenz zwischen den Frequenzen der entgegengerichteten Lichtstrahlen proportionalen Schwe-

f requenz
bungasignals überlagert werden. Da sich der Drehsinn der zirkulär polarisierten Lichtstrahlen "bei Reflexion umkehrt, jedoch bei Übertragung durch ein Objekt ungeändert bleibt, sind die beiden kolinearen Lichtstrahlen links-zirkular polarisiert, und zur Überlagerung ist daher kein Entnahme-Analysator erforderlich.

Die Anordnung nach -Pig. 3 stimmt mit der nach Fig. 1 mit der Ausnahme Tberein, daß hier die "Brewsterwinkel der optischen Flächen verschiedene Orientierung aufweisen und für Polari— sationsumwandler und Doppelbrechungsteil verschiedene Elemente verwendet werden. Die Polarisationsumwandler 4-3 und 44 sind Faraday-Dreher, die den magnet-optisehen Doppelbrechungsteil 2% nach Fig. 1 gleichen, mit der Ausnahme, daß sie speziell derart ausgelegt sind, um eine 45°-Drehung eines 'durch sie laufenden plan polarisierten Lichtstrahls zu erzeugen. Das Doppelbrechungsteil 47 kann entweder natürliche oder elektrisch hervorgerufene Doppelbrechung bezüg-

i lieh der orthogonalen Hauptachsen aufweisen, und zwar wis in den als Zirkularpolarisatoren in Fig. 1 arbeitenden Viertelwellen-Platten. Das Rohr 14 ist derart angeordnet, daß die durch die optischen Flächen 2 O und 21 übertragenen

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ORIGINAL IMSPECTED

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CCW- und CW-Lichtstrahlen derart orientiert sind, wie dies durch den gestrichelten Vektor 4δ bzw. Vektor 49 dargestellt ist. Der CCW-Lichtstrahl 46 wird duroh den Faraday-Dreher

43 um 45° gedreht und wird somit - wie durch den gestrichelten Vektor 50 angedeutet - vertikal polarisiert. In ähnlicher Weise wird der CW-Idchtvektor 49 durch den Faraday-Dreher

44 um 45° gedreht und wird - wie durch den Vektor 51 angegeben - horizontal polarisert. Das Doppelbrechungsteil 47 ist mit seinen Hauptachsen parallel ausgerichtet bezüglich ' der horizontal und vertikal polarisierten Lichüstrahlen orientiert, wodurch für die entgegengerichteten Lichtstrahlen eine unterschiedliche Weglänge erzeugt wird, und zwar auch dann, wenn der optische Hohlraum stationär ist. Wenn der CCW-Lichtstrahl durch den Dreher 44 läuft, wird seine Polarisationsebene um 45° in die Stellung des gestrichelten Vektors 52 gedreht, wodurch er durch die optische Fläche durchlaufen kann. In ähnlicher Weise wird der CCW-Lichtstrahl durch den Dreher 43 in die durch den Vektor 53 angedeutete | Stellung um 45° verdreht, so daß er durch die optische Fläche 20 laufen kann.

Es sei bemerkt, daß an allen Stellen längs des ringförmigen Weges — mit Ausnahme des Gebietes zwischen den Drehern, wo das Lasermedium angeordnet ist - die Lichtstrahlen orthogonal plan polarisiert sind. Daher tritt - wie oben erläutert keine Kopplung zwischen einer rückgestreuten "ioirponeirte

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eines Strahles mit dem entgegengesetzt fortschreitenden Strahl auf. Die in den Figuren 1 und 2 gezeigten Kombinier-

bekMinte
vorrichtungen und auch andere/Kombiniervorrichtungen sind zur Messung der Differenz zwischen den Frequenzen der entgegengerichteten Lichtstrahlen verwendbar. Da die orthogonale Plan-Polarisation der Lichtstrahlen das oben erwähnte, unter Bezugnahme auf Fig. 2 beschriebene externe Rückstrahlproblem vermeidet, wird die einfache Kombiniervorrichtung dieses Ausführungsbeispiels im allgemeinen bevorzugt, da sie leichter aufzubauen und auszurichten ist. In diesem Beispiel muß die Übertragungsaohse des Analysators 25 auf einen Winkel von 45° bezüglich der Polarisationsebene der herausgenommenen Lichtstrahlen orientiert sein, weil die Lichtstrahlen plan polarisiert sind.

Es sind auch statt der Reflexionsteile Brechungselemente verwendbar, um die Lichtstrahlen längs ringförmigen (zirkulären) Wegen zu leiten} ferner kann ein Teil oder alle optischen Weglängen gekrümmt oder nicht eben ausgebildet sein. Zudem kann das gasförmige Lasermedium durch eine Grleiehapannungsquelle angeregt und andere bekannte Lasermedien können verwendet werden.

Patentansprüche ·.

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Claims (1)

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Patentansprüche |

1. Optische Einrichtung mit zwei auf ringförmigen Wegen in entgegengesetzten Richtungen fortschreitenden Lichtstrahlen sowie mit Vorrichtungen·zum Aufbau und Betrieb dieser Einrichtung! um die durch rtlokge streut es licht innerhalb der ringförmigen Wege erzeugten nachteiligen Wirkungen zu minimieren, gekennzeichnet durch folgende Kombinationt .

(a) Vorrichtungen zur Bildung eines optischen Hohlraums in form einer geschlossenen Schleife!

(b) eine Laserquelle (H) zur Erzeugung entgegengerichtetei? Lichtstrahlen, die in entgegengesetzten Richtungen um die durch den optischen Hohlraum bestimmten ringfUrmigen Wege : laufen? · j-\ ^:

(c) nahe jedem Ende der Laserquelle (14) in den ringförmigen | Wegen derart angeordnete Polarisatiönsumwandler C43r 44), daß

Asm zwischen den Polarisationsumwandlern über die Laserquelle

-Ί-

gemessen ein kleinerer Teil der ringförmigen Weglängen ist und wobei jeder der Polarisationsumwandler die Einstellung der Polarisation des auf ihn vom benachbarten Ende der Laserquelle einfallenden Lichtstrahls derart bewirktu, daß an einem gemeinsamen Punkt der ringförmigen Wege - mit Ausnahme des erwähnten kleineren Teils - die engtgegengerichteten Lichtstrahlen und der vorherrschende Teil einer zurüok-

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gestreuten Komponente des entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahls orthogonal polarisiert sind , und wobei die Polarisation der entgegengeriohteten eingestellten Lichtstrahlen derart zurückgestellt wird, daß sie dem erwähnten kleineren Teil identisch plan polarisiert sind, (d) Vorrichtungen zum Entnehmen eines Teils der Energie aus dem optischen Hohlraum von den entgegengerichteten Lichtstrahlen, um erste und zweite entnommene Lichtstrahlen zu erzeugen.

$. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den ringförmigen Wegen Vorrichtungen angeordnet sind, die eine Differenz in den ringförmigen (zirkulären) Weglängen der entgegengerichteten Lichtstrahlen erzeugen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsumwandler (43_f 44) Viertel-Wellenplatten sind, die einen darauf von dem benachbarten Ende der erwähnten Quelle einfallenden entsprechenden plan polarisierten Lichtstrahl in einen zirkulär polarisierten Lichtstrahl umwandeln und den entgegengesetzt fortschreitenden zirkulär polarisierten Lichtstrahl in einen plan pola*- risierten Lichtstrahl bei einem vorgeschriebenen Winkel für die Fortpflanzung durch die Quelle rUckumwandelt.

"_c.T.iGii4AL IMSPSCJED

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4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Polarisationsumwandler Faraday-Drehvorrichtungen sind, welche das darauf vom benachbarten Ende der Quelle einfallende plan polarisierte Licht um 45° derart drehen, daß die Polarisation dieser gedrehten S1zahlen nicht durch die den optischen Hohlraum bildenden Vorrichtungen gestört wird, und wobei ebenfalls die entgegengesetzt fortschreitenden Lichtstrahlen um 45° in entgegengesetzter Richtung zum Fortschreiten durch die Quelle bei einer vorgegebenen Orientierung gedreht werden.

5« Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η et, daß weiterhin Polarisationevorrichtungen zwischen jedem Ende der Laserquelle und den Polarisationsumwandlern vorgesehen sind, um die von jedem Ende der Laserquelle imitierten, entgegengerichteten Lichtstrahlen mit einem vorgegebenen Winkel zu polarisieren.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Entnahme entgegengerichteter Lichtstrahlen aus dem optischen Hohlraum-ein teilweise durchlässiges Teil ist und einen Teil der den optischen Hohlraum bildenden Vorrichtungen ist.

7. Einrichtung nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch außerhalb der ringförmigen ">?ege angeordnete Polari—

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BAD OR5GSMAL

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sations-Analysiervorrichtungen, Vorrichtungen, um den ersten und zweiten entnommenen Lichtstrahl auf die Polarisations-Analysiervorrichtung in kolinearer Beziehung zu lenken und Photodetektor-Einrichtungeni die auf das durch die Polarisations-Analysiervarichtungen übertragene licht ansprechen.

8. Einrichtungen nach Anspruch 7» dadurch gekennzeich net, daß die laserquelle ein ein gasförmiges Lasermedium enthaltendes Rohr(i4) aufweist, welches an seinen Enden durch optische Brewsterwinkel-Flächen (20, 21) abgeschlossen ist, die als Polarisiervorrichtungen wirken und wobei der optische Hohlraum nach Art eines Vielecks ausgebildet ist.

9« Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Entnahme der entgegengerichteten Lichtstrahlen ein erstes teilweise übertragendes Teil . zum Entnehmen des ersten entnommenen Lichtstrahls ist, und daß ein zweites teilweise übertragendes (durchlässiges) Teil zur Entnahme des zweiten entnommenen Lichtstrahls dient, wobei die ersten und zweiten teilweise übertragenden Teile ein Teil der den optischen Hohlraum bildenden Vorrichtungen sind.

10. Einrichtung nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch Vorrichtung* zum Kolinearmachen der ersten und zweiten entnommenen Lichtstrahlen und eine Photodetektor-

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BAD OFSGINAL

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einrichtung, die auf diese kolinearen Lichtstrahlen anspricht.

11. Einrichtung nach Anspruch 10, daduroh g e k e nn ζ e i c< h net, daß die Laserquelle ein mit einem gasförmigen Lasermedium gefülltes Rohr aufweist, welches an seinen Enden durch optische Brewsterwinkel-Flächen abgeschlossen ist, die als Polarisationseinrichtung wirken, und wobei der optische Hohlraum poligonal ausgerichtet ist.

BAD ORiGüN

009828/U74

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