-
Ringlaser Die Erfindung bezieht sich auf Ringlaser. Ein Ringlaser
weist ein aktives Laser-Medium auf, das gegenüber reflektierenden oder brechenden
einen optischen Hohlraum bildenden Bauteilen angeordnet ist, um von dem aktiven
Medium ausgesandte Lichtwellen in entgegengesetzten Richtungen entlang eines ebenen
eine geschlossene Schleife bildenden Weges umzulenken. Schwingungsmoden treten bei
solchen Frequenzen auf, flir die die Länge des geschlossenen Schleifenweges eine
ganzzahlige Zahl der Lichtwellenlängen ist0 Entsprechend schwingen die entgegengesetzt
gerichteten Lichtwellen mit der gleichen Frequenz, wenn ihre Jeweiligen WeglGngen
gleich sind und sie schwingen bei unterschiedlichen Frequenzen, wenn die Weglängen
ungleich sind, wie dies auftritt, wenn beispielsweise der optische Hohlraum um eine
Achse senkrecht zur Ausbreitungsebene- -der Lichtwellen gedreht wird0 Die Drehgeschwindigkeit
kann dadurch gemessen werden, daß dem optischen Hohlraum ein kleiner Teil der Energie
in Jeder Lichtwelle durch eine Teildurchlässigkeit eines. oder eine Teilreflexion
an einem der den Hohlraum bildenden Bauteile entzogen wird.
-
Außerhalb des optischen Hohlraumes angeordnete. Kombinationseinrichtungen
lenken die Lichtwellen in kollinearer Beziehung auf
einen Photodetektor,
der ein elektrisches Überlagerungsfrequenzsignal liefert, das der Differenz zwischen
den Lichtwellenfrequenzen entspricht. Die Differenzfrequenz ist PUr eine vergleichsweise
schnelle Drehung linear auf die Drehgeschwindigkeit bezogen, wenn diese Drehgeschwindigkeit
absinkt, wird diese Beziehung Jedoch nichtlinear, und zwar auf Grund der Kopplung
zwischen Jeder Lichtwelle und einem rückgestreuten Anteil der sich in entgegengesetzter
Richtung ausbreitenden Welle, Wenn die Drehgeschwindigkeit noch weiter absinkt,
Jedoch noch irgendeinen endlichen Wert aufweist, so wird die Kopplung ausreichend
stark, um die sich entgegengesetzt ausbreitenden Wellen zu synchronisieren, wodurch
sich eine abrupte Beendigung des Oberlagerungsfrequenzsignals ergibt0 Diese Frequenzsynchronlsationserscheinung
wird als Modeneinrastung bezeichnet und die entsprechende Überlagerungsfrequenz
oder Drehgeschwindigkeit, bei der dies erfolgt, wird als der Moden-Einrastschwellwert
bezeichnet.
-
Um eine Modeneinrastung und die sich daraus ergebendenu fähigkeit
des Ringlasers, Drehgeschwindigkeiten zu messen, zu vermeiden, muB den Wellen eine
nichtreziproke Phasenverschiebung entweder durch Drehen des Ringes in der oben genannten
Weise oder dadurch erteilt werden, daß in den Ausbreitungsweg irgendeine Einrichtung,
wie z.B. ein doppelbrechendes Element eingesetzt wird, das in Kombination mit Polarisationskonvertern
oder Polarisations-Dreheinrichtungen betrieben wird, um die Weglänge der-Seweiligen
Wellen in unterschiedlicher Weise zu beeinflussen.Ein doppelbrechendes Medium weist
diskrete Ausbreitungskonstanten fur ortkrogonalpolarisierte Wellen auf, die sich
durch dieses Medium ausbreiten. Wenn die sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden
Wellen daher ortvgonalpolarisiert sind, wGhrend sie das doppelbrechende Material
durchlaufen, so sind ihre geschlossenen Schleifenlängen ungleich, As Ergebnis schwingen
diese Wellen bei unterschiedlichen Frequenzen und wenn die Differenzfrequenz
ausreichend
groß ist, trittseSne Modeneinrastung nicht auf, Unter diesen Bedingungen vergrößert
oder verkleinert eine Drehung des Ringiasers die Uberlagerungsfrequenz, so daß sich
eine Anzeige von sowohl der Drehgeschwindigkeit als auch der Drehrich tung ergibt
Obwohl Frequenzverschiebungszellen mit doppelbrechenden Einrichtungen, die in Verbindung
mit Polarisationskonvertern oder -dreheinrichtungen verwendet wurden, sehr erfolgversprechende
Ergebnisse bei der Vermeidung einer Modeneinrastung ergaben, rufen sie andere Probleme
hervor, die ihre Brauchbarkeit verringern0 Insbesondere vergrößert die Verwendung
von derartigen Frequenzverschiebungszellen die Kosten für einen derartigen Dreh-Meßfühler
und seine Ausrichtung und sein Abgleich sind schwieriger0 ZusWtzlich vergrößern
die Frequenzverschiebungszellen die Rückstreuung, die ihrerseits die Kopplung zwischen
den sich entgegengesetzt ausbreitenden Wellen vergrößert, so daß auch der Moden-Einrastschwellwert
vergrößert wird0 Hierdurch wird der dynamische Drehgesohwindigkeits-Meßbereich verkleinert,
der durch die Differenz zwischen der nominellen Überlagerungsfrequenz und der Einrastfrequenz
bestimmt ist0 Weiterhin muß, weil das doppelbrechende Medium in Abhlingigkeit von
der Art des Mediums entweder in einem hochintensiven elektrischen oder in einem
magnetischen Feld an° geordnet werden muß, die Erregungsquelle für das Feld sehr
genau geregelt werden, um eine Abweichung oder ein Auswandern der nominellen Frequenzverschiebung
zu verhindern0 Ein erfindungsgem ausgebildeter Ringlaser umfaßt einen optischen
Ringlaser-Hoblraum bildende Einrichtungen, die einen Spiegel mit einem magnetisch
sättigbaren Teil und ein aktives Lassrmedium einschließen, das derart in dem optischen
Hohlraum angeordnet ist, daß die von dem LaserMedium ausgesandten Lichtwellen durch
die den Hohlraum bildenden Einrichtungen so umgelenkt werden, daß sie sich in entgegengesetzten
Richtungen um einen geschlossenen
Schleifenweg herum ausbreiten,
wobei die entgegengesetzt gerichteten Lichtwellen parallel zur Ebene des Ringlaserhohiraumes
planpolarisiert sind0 Der Spiegel schließt vorzugsweise ein magnetisch sättigbares
Element ein, das in einer Richtung senkrecht zur Ebene des opti= schen Weges magnetisiert
wird0 Der Spiegel kann weiterhin ein reflektierendes Teil mit einer erheblich höheren
Reflektivität als das magnetisch sättigbare Teil und ein Trägerteil einschließen,
wobei die reflektierenden und magnetisch sättigbaren Teile in Form von dünnen auf
dem Trägerteil abgeschiedenen Filmen aufgebaut sind.
-
Erfindungsgemäß wird daher eine Möglichkeit für eine differentiale
Phasenverschiebung der sich entgegengesetzt ausbreitenden Wellen in einem Ringlaser
geschaffen, so daß eine Frequenzverschiebung hervorgerufen wird ohne daß es notwendig
ista den Ring zu drehen oder zusätzliche Bauteile in den Ausbreitungsweg einzufügen.
Die erfindungsgemäße Betriebsweise beruht auf dem klassischen magnetooptischen Kerr-Effekt,
der aussagt, daß ein Lichtstrahl phasen verschoben wirdo wenn er von einer magnetisierten
Oberfläche reflektiert wird0 Die auf diese Weise hervorgerufene Phasenverschiebung
wurde als erstes dadurch festgestellt, daß beobachtet wurde daß eine Lichtwelle,
die entweder parallel oder senkrecht zur Auftreffebene auf einem reflektierendem
Teil planpolarisiert war, das in einer Richtung parallel zur Auftreffebene und senkrecht
zur reflektierenden Oberfläche magnetisiert warD nach der Reflexion von diesem reflektierenden
Teil elliptisch polarisiert warO Zu letzlich wurde beobachtet, daß eine Umkehrung
der Magnetisierungsrichtung in dem reflektierenden Teil außerdem eine Umkehrung
in der dem reflektierten Licht erteilten Phasenverschiebung hervorruft. Die vorliegende
Erfindung beruht auf der Feststellung, daß der gleiche Effekt, nämlich eine Umkehrung
der Richtung der Phasenverschiebung erzielt wird, wenn die Magnetisierungsrichtung
konstant
gehalten wird, während die Ausbreitungswege der auftreffen
den und der reflektierenden Wellen vertauscht werden0 Die Erfindung beruht weiterhin
auf der Feststellung, daß dieser Zustand in eindeutiger Weise in einem Ringlaser
erfUlt ist, bei dem die auftreffenden und reflektierten Wege der sich in entgegengesetzten
Richtungen ausbreitenden Wellen an einem Eckenspiegel des Laserhohlraumes vertauscht
werden0 Daher kann der magnetooptische Kerr-Effekt für eine Frequenzverschlebung
in einem Ringlaser dadurch verwendet werden daß ein geeignet magnetisierter, eine
Ecke bildender Spiegel verwendet wird0 Dies wird dadurch erreicht, daß ein Eckenspiegel
aufgebaut wird, der ein magnetisch sättigbares Teil einschließt, in dem ein magneti°
sches Feld vorzugsweise in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Ringlaserhohlraumes
ausgebildet wird, Die Lichtwellen sind vorzugsweise parallel zur Ebene des Laserhohlraumes
polarisiert, weil derart polarisierte Lichtwellen ohne änderung der Polario sation
differentiell phasenverschoben werden0 Weiter vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Er findung ergeben sich aus den Unteransprüchen0 Die Erfindung wird im folgenden
anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels noch näher erläutert0
In der Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine schematische Draufsicht auf den optischen Ring
laserhohlraum; Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines bevorzugten Aus führungsbeispiels
eines Bau teils des Ringlasers nach Fig 1.
-
Der in Figo 1 dargestellte Ringlaserhohlraum 30 umfaßt ein aktives
Lasermedium 319 wie zOBo die übliche He-Ne=Gasmischung3.
-
die durch übliche (nicht gezeigte) Hochfrequenzeinrichtungen mit Energie
versorgt wird und die in einem Glasrohr 10 enthalten ist, Dieses aktive Lasermedium
31 sendet Lichtwellen in beiden Richtungen entlang seiner Längsachse durch optische
nicht re flektierende Flächen 11 und 12 aus9 die die Enden des Rohres 10 verschließen.
Den optischen Hohlraum bildende Eckenspiegel 139 14; 15 und 16 lenken die sich entgegengesetzt
ausbreitenden Licht wellen aufeinanderfolgerxentlang eines geschlossenen Schleifen
weges 17 abO Die optischen Flächen 11 und 12 sind unter einem Brewster-Winkel gegenüber
der Längsachse des Rohres 10 geneigt, um Lichtwellen zu liefern9 die parallel zur
Ebene des optischen Hohlraumes planpolarisiert sind, wobei derart polarisiertes
Licht im folgenden als horizontal polarisiertes Licht bezeichnet wurde Obwohl andere
Polarisations-Ausrichtungen verwendet werden können, sind die Lichtwellen bei der
Ausführung der Erfindung vorzugsweise horizontal polarisiert, um Verzerrungen weitgehend
zu verringern, d.h. um zu verhindern, daß das Licht bei einer Reflexion an den den
Hohlraum bildenden Spiegeln 13, 149 15 und 16 elliptisch polarisiert wird, wie dies
weiter unten ausführlicher erläutert wird0 Ein Maß der Differenz zwischen den Frequenzen
der sich in entgegengesetzten Richtungen ausbreitenden Wellen, die sich aus nichtreziproken
Effekten in dem optischen Hohlraum ergibt, wird dadurch gewonnen» daß ein Teil der
Energie in Jeder Welle oder in Jedem Lichtstrahl durch den Eckenspiegel 15 auf einen
Kombinationsme chanismus übertragen wird, der die Spiegel 18 und 19, einen Strahl
teiler 20 und einen Photodetektor 21 umfaßt, Der Anteil der sich im Uhrzeigersinn
(cw) ausbreitenden Lichtwelle8 der durch den Eckenspiegel 15 weitergeleitet wird,
wird zuerst an dem Spiegel 19 reflektiert und dann teilweise an dem Strahlteiler
20 auf den
Photodetektor 21 reflektiert. In gleicher Weise wird
der dem Hohlraum 30 entnommene Teil der sich im Gegenuhrzeigersinn (ccw) ausbreitenden
Lichtwelle an dem Spiegel 18 reflektiert und teil weise durch den Strahlteiler 20
in kollinearer Beziehung mit der sich im Uhrzeigersinn ausbreitenden Welle auf den
Photodetektor 21 übertragen, an dem sich die Lichtwellen mischen um ein Überlagerungsfrequenzsignal
zu erzeugen, das gleich der Differenz zwischen den Frequenzen dieser Lichtwellen
ist.
-
Um die bei niedrigen Drehgeschwindigkeiten auftretende Modeneinrastung
zu vermeiden, wird ein nichtreziproker Phasenverschie bungseffekt in den optischen
Hohlraum 30 mit Hilfe eines Magnetfeldes eingefügt, das in dem Eckenspiegel 16 ausgebildet
wird0 Die Magnetisierung in dem Eckenspiegel 16 tritt derart mit den auftreffenden
sich entgegengesetzt ausbreitenden Wellen in Wechsel beziehung, daß den Wellen bei
der Reflexion an dem Spiegel eine unterschiedliche Phasenverschiebung erteilt wird.
Als Ergebnis schwingen die entgegengesetzt gerichteten Wellen mit unterschied lichen
Frequenzen, so daß eine Rodeneinrastung selbst dann nicht auftritt, wenn der optische
Hohlraum stationär ist. Die Magnetisierung in dem Eckenspiegel 16 ist vorzugsweise
senkrecht zur Ebene des optischen Hohlraumes 30 ausgerichtet, wenn die Licht wellen
in der weiter oben erwähnten Weise horizontal polarisiert sind. Diese Polarisations-
und Magnetisierungsbedingungen ergeben die gewünschte differentielle Phasenverschiebung
während gleichzeitig die Polarisation der Lichtwellen aufrechterhalten wird.
-
Wenn die Magnetisierung andererseits parallel zur Ebene des Hohl raumes
30 und entweder parallel oder senkrecht zur Hauptoberfläche des Spiegels 16 ausgerichtet
ist» so kann eine differentielle Phasenverschiebung erzeugt werden» diese Phasenverschiebung
ist Jedoch in einer Lichtwellenkomponente vorhanden die orthogonal bezüglich dem
auftreffenden horizontal polarisierten Licht polarisiert ist und als Ergebnis würde
das reflektierte Licht elliptisch polarisiert sein0 Daher ist es zur Erzielung einer
phasenverschobenen
Welle, die in geeigneter Weise für eine Ausbreitung
durch die polarisierenden Brewster-Winkelflächen oder Fenster 11, 12 an den Enden
des Laserrohres 10 ausgerichtet ista erforderlich, eine Platte mit einer Dicke von
einer Wellenlänge in den Weg des re flektierten Strahl einzufügen. Es sei außerdem
bemerkt, daß bestimmte Kombinationen von Magnetisierung und Lichtpolarisation keine
differentielle Phasenverschiebung ergeben0 Diese Situation ist beispielsweise dann
gegeben, wenn die Magnetisierung senkrecht zur Ebene des Hohlraumes 30 verläuft
und wenn das Licht in einr Richtung senkrecht zur Horizontalpolarisation planpolarisiert
ist.
-
Der in Fig. 2 dargestellte eine nichtreziproke Phasenverschiebung
hervorrufende Spiegel 16 weist eine Anzahl von Dünnfilmschichten 25 aus einem hochreflektierenden
Dielektrikum sowie eine magnetisch sättigbare Schicht 26 auf, die auf einem Substrat
27 mit Hilfe von Vakuumverdampfung abgeschieden sind0 Die magnetisch sättigbare
Schicht 26 besteht aus einem ferromagnetischen Materials wie zoBo Eisen, Nickel
oder Kobalt mit einer hohen Dichte von Elektronen spins, die unter dem Einfluß eines
angelegten Magnetfeldes gleich förmig ausgerichtet werden können. Das mehrschichtige
Dielektrikum 25 kann beispielsweise aus Zinksulfid und Kryolith oder anderen Materialien
mit Brechungsindizes bestehen, die um einen ausreichenden Betrag von dem der magnetisch
sättigbaren Schicht 26 ab weichen Flir das Substrat 27 kann Quarz verwendet werden.
Ein erfolgreicher Betrieb wurde unter Verwendung einer dielektrischen Schicht 25
mit einer Dicke von ungefähr 15000 Angström erzielt, die auf Eisen mit einer Dicke
in der Größenordnung von einigen hundert Angström aufgetragen war, wobei die Dicke
des Substrates 27 ohne Einfluß ist0 Die Phasenverschiebung wird durch die Magnetisierung
in der ferromagnetischen Schicht 26 hervorgerufen9 wobei das mehr schichtige Dielektrikum
25 in der Hauptsache deshalb hinzugefügt ist, um übermäßige Absorptionsverluste
in dem Eisen auszuschließen, das eine Reflektivität von ungefähr 70 g aufweist,
die beträchtlich
niedriger als die des mehrschichtigen Dielektrikums
ist0 Das mehrschichtige Dielektrikum 25 ermöglicht es außerdem mit Hilfe einer Einstellung
der Schichtdicke, vorzugsweise der Dicke der ersten dielektrischen Schicht, eine
maximale Größe der differentiellen Phasenverschiebung zu erzielen, während gleichzeitig
eine mögliche differentielle Reflektivität so weit wie möglich verringert wird0
Die magnetisierbare Schicht 26 sollte eine rela tiv hohe Reflektivität aufweisen,
die Jedoch nicht so hoch sein SO11D daß die Lichtwellen nicht mehr ausreichend in
die Schicht eindringen könnenS um mit dem Magnetfeld in Wechselwirkung zu treten
Die Magnetisierung parallel zur Hauptoberfläche 28 der dielektrischen Filme 25 wird
durch einen Elektro- oder Permanentmagnet 29 erzielt. Wenn die magnetisierte Schicht
26 eine ausreichend rechteckige Hysteresecharakteristik aufweist9 so kann der Magnet
29 entfernt werden9 wenn der Spiegel 16 an seinen Platz gebracht wurde9 um den optischen
Hohlraum 30 zu bilden0 Wenn die magnetisierte Schicht 26 Jedoch keine ausreichende
Magnetisierung aufrechterhält9 um in einem gesättigten Zustand zu verbleiben9 so
ist es allgemein erforderlich9 den Magnet 29 in der Nähe des Spiegels 16 zu befestigen9
wenn dieser in dem Laserhohlraum 30 eingebaut ist0 Wenn die ferromagnetisohe Schicht
im gesättigten Zustand gehalten wird, so wird die Größe der Phasen-Verschiebung
vergrößert und die Wahrscheinlichkeit einer Auswanderung der nominellen Frequenzverschiebung
wird verringert0 Das letztere Merkmal ist insbesondere deshalb wichtig9 weil eine
Anderung der Frequenzverschiebung als eine von dem Laser gemessene Drehgeschwindigkeit
fehlgedeutet werden kann0 Ein in der in Fig. 2 dargestellten Weise aufgebauter Spiegel
16 hat eine Frequenzverschiebung von 18 kHz in einem Ringlaser mit einer optischen
Weglunge von 121,92 cm hervorgerufen, der bei 1,15 Mikron betrieben wurde9 wobei
die magnetisierbare und die dielektrische Schicht 26 bzw. 25 eine kombinierte Reflektivität
von 94 % ergaben Es ist daher zu erkennen daß das Auswanderungsproblem, das bei
bekannten Ringlasser-Frequenzverschiebungseinrichtungen auftrat,
beseitigt
ist0 Weiterhin wird durch die Möglichkeit, dIe Frequenz in dem Ring ohne die Notwendigkeit
einer Einftigung $zusätzlicher Bauteile-in den optischen Hohlraum zu verschiebenD
eine quelle von Rückstreuungseffekten beseitigt und die Kosten fUr die Aus rastung
werden verringert0 Weil die magnetische Schicht 26 vorzugsweise parallel zur Hauptoberfläche
28 des Dielektrikums 25 magnetisiert ist, d.h. in einer Richtung für eine leichte
Magnet tisierung, ist das erforderliche Magnetfeld wesentlich kleiner als das, das
für die bisher verwendeten doppelbrechenden Materialien be nötigt wurde0 Eine abgeänderte
Ausführungsform des die nichtreziproke Phasen verschiebung hervorrufenden Spiegels
16, die ebenfalls befriedigende Betriebseigenschaften aufwies» schließt dUnne Filme
eines mehrschichtigen Dielektrikums oder Metalls wie z.B. Gold und eine ferromagnetisch
sättigbare Schicht ein» die aufeinanderfolgend aur einem Quarzsubstrat abgeschieden
werden0 In diesem Fall weist die magnetisch sättigbare Schicht 26 lediglich eine
Dicke von ungefähr 25 Angström auf, während das Dielektrikum oder Gold eine Dicke
in der Größenordnung von 1000 Angström aufweist. Ein weist teres Ausführungsbeispiel
kann dadurch erzielt werden, daß ab wechselnde Viertelwellenlängen-Schichten aus
einem dielektrischen und einem ferromagnetischen Material, wie z.B. Yttrium-Aluminium
granat (YIG) verwendet werden0 Patentansprüche: