DE2749157B2 - Ringlaser-Gyroskop - Google Patents
Ringlaser-GyroskopInfo
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Description
i 0,19
sin«
ist, wobei λ die Wellenlänge des Laserlichtes und θ
der Winkel zwischen der Auftrel'frichtung der Lichtstrahlen auf jeden Spiegel und einer senkrecht
zur Spiegeloberfläche orientierten Ebene ist.
6. Ringlaser-Gyioskop nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Wandler
(44) aus einem Stapel von piezoelektrischen Elementen besteht.
Ringlaser-Gyroskope haben einen optischen Hohlraum mit geschlossenem Pfad, der ein aktives
Laserstrahlen aussendendes Material zur Erzeugung zweier Lichtstrahlen aufweist, die in entgegengesetzten
Richtungen längs des Pfades wandern. Die Differenz zwischen den Frequenzen des Lichtes in den Strahlen ist
dabei ein Maß für die Drehgeschwindigkeit, die das Ringlaser-Gyroskop erfährt.
Die Erfindung bezieht sich auf derartige Ringlaser-Gyroskope mit wenigstens drei Spiegeln, die einen
geschlossenen Pfad für den einen und den anderen von zwei Lichtstrahlen aufbauen, die in zueinander entgegengesetzten
Richtungen in einem aktiven Lasermedium des Gyroskops fortschreiten, und mit individuell
betätigbaren Wandlern, deren jeder einen der Spiegel in Vibrationsbewegung versetzt.
Auf dem Gebiet derartiger Ringlaser-Gyroskope ist es bekannt, dreieckförmige oder rechteckförmige Pfade
für die Laserstrahlen zu verwenden, wobei die Spiegel an den Scheiteln des dreieckförmigen Pfades oder an
den Ecken des rechteckförmigen Pfades angeordnet sind. Während des Betriebes ergibt eine Drehung des
Gyroskops in der Ebene der Laserpfade eine Schwebungsfrequenz zwischen den beiden entgegengesetzt
gerichteten Laserstrahlen, und diese Schwebungsfrequenz wird zur Bestimmung der Drehung verwendet,
die einer Änderung in der Orientierung des Gyroskops
ίο zugeordnet ist Bei sehr geringen Drehgeschwindigkeiten
haben die beiden Strahlen die Tendenz, sich gegenseitig zu synchronisieren, so daß keine Frequenzdifferenz
beobachtet wird. Dies ist teilweise das Ergebnis einer Rückstreuung, wobei ein Teil der Energie
aus jedem der Laserstrahlen längs des Pfades des anderen Strahles zurückreflektiert wird und dahin
tendiert die beiden Strahlen zu synchronisieren.
Es sind bereit«, verschiedene Möglichkeiten vorgeschlagen
worden, um dieses unerwünschte Phänomen zu beseitigen, das häufig als Ringiaser-Gyroskop-Mitziehen
bezeichnet wird. Diese Möglichkeiten verwenden unter anderem das Vibrieren des gesamten Körpers des
Laser-Gyroskops und nichtreziproke, phasenverschiebende Anordnungen, z. B. Faraday'sche Drehelemente.
Die Methode, den gesamten Körper der Lasereinrichtung in Vibrationen zu versetzen, ist keins einwandfreie
Lösung, um das Problem des Mitziehens zu beheben, und die Verwendung von Faraday'schen Drehelementen
oder anderen magnetischen oder optischen
«ι Einrichtungen im Laserpfad ergibt einen komplexeren
Aufbau als erwünscht.
Insbesondere sind Ringlaser-Gyroskope bekannt (DE-AS 12 92 899), bei denen der Strahlenpfad auf einer
Plattform verläuft, die auf radial angeordneten Blattfe-
)·> dem um eine senkrecht zur Ebene des geschlossenen
Pfades verlaufende Achse schwingend befestigt ist. Hierbei sind somit alle Umlenkspiegel auf einer
gemeinsamen Plattform angeordnet.
Des weiteren sind Ringlaser-Gyroskope bekannt (US-PS 35 33 014), die einen Stapel von piezoelektrischen
Elementen aufweisen und bai denen die Position eines Spiegels verändert wird, um die Länge eines
Laserhohlraumes exakt zu verändern. Eine derartige Technik kann bei Ringlaser-Gyroskopen der gattungs-
4·-, gemäßen Art zur Erzielung von Gleich-Vorspannungen
verwendet werden, denen die eine geeignete Phasenlage aufweisenden Wechselstromsignale überlagert werden.
Schließlich ist aus der US-PS 35 81227 eine
w Einrichtung bekannt, die Stapel von piezoelektrischen
Elementen aufweist und bei der die Position eines Spiegels verschoben wird, um die Länge eines
Laserstrahlraumes exakt zu verändern.
Aufgabe vorliegender Erfindung ist es, das Problem
τ, des Mitziehens in Ringlaser-Gyroskopen durch eine
einfachere und direktere Methode, als dies bei bekannten Anordnungen der Fall ist, zu eliminieren.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Vibrationsbewegung der Spiegel in Form
M) einer parallelen, nach rückwärts und vorwärts auftretenden
Verschiebung in Richtungen senkrecht zu der Spiegelfläche erfolgt, und daß die Vibrationsbewegung
so steuerbar ist, daß konstante Laserstrahlpfadlängen aufrechterhalten werden.
bß Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand
der Unteransprüche.
Bei der speziellen Ausführungsform der Erfindung wird erreicht, daß die Spiegel an allen Reflexionspunk-
ten eines Ringlaser-Gyroskops eine Zitterbewegung bzw. mechanische Vibrationsbewegung ausführen, wobei
die Phasenlage der Oszillation der Spiegel um den Umfang der Laser-Gyroskopanordnung versetzt ist,
derart, daß die Phasendifferenz zwischen zwei benachbarten
Spiegeln 360° dividiert du ch die Anzahl der Spiegel beträgt, und wobei diese Bedingung sich in einer
konstanten Pfadlänge für die entgegengesetzt orientierten Strahlen ergibt, begleitet von einem Verschieben
des Auf ti Ef f punktes eines jeden Laserstrahles über die
Oberfläche eines jeden Spiegels. Dadurch wird die Frequenz des zurückgestreuten Lichtes verschoben, so
daß die Kopplung zwischen den Laserstrahlen reduziert, wenn nicht vollständig vermieden wird, und das
Mitziehphänomen weitgehend ausgeschaltet wird
Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand eines Ausführungsbeispieles
erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine schematische Darstellung einer Ringlaser-Gyroskop-Anordnung,
F i g. 2 eine Detailansicht von Spiegel-Wandler-Anordnungen, von denen jeweils eine an jedem Reflexionspunkt des Laser-Gyroskops angeordnet ist, und
F i g. 3 eine schematische Darstellung, die die Bewegung eines jeden der drei Spiegel nach F i g. 1 in
bezug auf die anderen zeigt.
In Fig. 1 ist schematisch ein Laserk irper 12 dargestellt, der beispielsweise aus Quarz besteht. Drei
periphere Kanäle 14, 16 und 18, die den geschlossenen Pfad in Gestalt eines Dreieckes bilden, sind in Form von w
Bohrungen durch den Quarzkörper 12 hindurch ausgebildet. In den Kanälen 14, 16 und 18 ist
gasförmiges Lasermedium, z. B. ein Gemisch von Gasen, die für den Laserbetrieb geeignet sind, vorgesehen. Das
Gas besteht im Falle einer speziellen Ausführungsform r> aus etwa 90% Helium und 10% Neon und steht unter
einem Druck von etwa 3 Torr, entsprechend 3,9996 mbar.
In Übereinstimmung mit der bekannten Lasertechnik sind zwei Kathoden 20 und 22 sowie zwei Anoden 24
und 26 an dem Quarzkörper 12 befestigt, so daß eine Gasentladung zwischen Kathode 20 und Anode 24 wie
auch zwischen Kathode 22 und Anode 26 in den Kanälen 16 und 18 stattfinden kann.
An den drei Reflexionspunkten der dargestellten 4Ί
dreieckförmigen Ringlaser-Gyroskopanordnung sind Spiegel-Wandler-Anordnungen 28,30 und 32 befestigt.
Alle innere«! Elemente der Ringlaser-Gyroskopanordnung
einschließlich der Spiegel, Kathoden und Anoden sind im Quarzkörper 12 einwandfrei abgedich- -,0
tet angeordnet, so daß das Gas in den Kanälen des Quarzkörpers unter dem gewünschten Druck und frei
von Verunreinigungen gehalten werden kann. Die Laserwirkung tritt in einer Eigenschwingung mit einer
Frequenz von etwa 5 χ 10H Hz auf. Dies entspricht einer γ,
Wellenlänge von etwa 0,633 Mikron, d. h. die resultierende Leuchterscheinung ist brillantes Licht roter
Farbe.
Der Aufbau einer der Spiegel-Wandler-Anordnungen 28,30,32 ist im Detail in F i g. 2 gezeigt. In dieser F i g. 2 bo
besitzt die Spiegel-Wandler-Anordnung 28 einen Spiegel 64, dessen reflektierende, teilweise mit Überzug
versehene Oberfläche 34 den Laserstrahlen zugewandt ist und Licht von einem der Kanäle 14, 16, 18 in einen
anderen Kanal reflektiert. Der Spiegel 64 ist mit dem t>r>
Quarzkörper 12 längs des Randes 36 befestigt. Der Spiegel ist in einer ringförmigen Zone 38, die sich um
den Spiegel auf seiner Rückfläche unmittelbar innerhalb des stärkeren äußeren Randes 36 erstreckt, dünner
ausgebildet Mit dem Rand 36 ist ein starres Gehäuse 40 befestigt, das beispielsweise zylindrische Gestalt hat
Dieses zylindrische Gehäuse 40 ist mit einem schweren Boden 42 versehen.
Zwischen dem Boden 42 des Gehäuses und dem zentrischen Teil 46 des Spiegels ist ein Stapel 44 aus
piezoelektrischen Wandlerelementen vorgesehen. Der Stapel 44 besteht aus einer Anzahl von dünnen, flachen
piezoelektrischen Plättchen. Diese Plättchen haben die Eigenschaft, daß sie beim Anlegen einer Spannung
etwas dicker oder etwas dünner werden, je nach der Polarität der Spannung. Der Stapel 44 ist beispielsweise
aus fünfzehn piezoelektrischen Plättchen aufgebaut, deren jedes eine Dicke von etwa 0,25 mm besitzt Die
Plättchen besitzen auf ihren oberen und unteren Flächen Elektroden und sind »Rücken-an-Rücken«
miteinander verbunden, d. h, daß abwechselnd gemeinsame Elektroden, die einen Satz von Elektroden bilden,
mit jeweils einer Steuerleitung entgegengesetzter Polarität verbunden sind. Die »Rücken-an-Rücken«
verbundenen Plättchen dehnen sich in der Dicke miteinander aus und ziehen sich zusammen, wenn
entgegengesetzt gerichtete elektrische Felder an abwechselnde Plättchen gelegt werden, wobei ein
erheblicher Druck auf den mittleren Teil 46 des Spiegels ausgeübt wird, und bewirken, daß der dünne ringförmige
Abschnitt 38 des Spiegels 64 ähnlich der Verschiebung einer Membran, die längs ihres Randes mit einem
Rahmen befestigt ist, ausgelenkt wird.
Die Stapel aui piezoelektrischen Wandlerelementen können aus irn Handel erhältlichen piezoelektrischen
Plättchen hergestellt sein. Der ungefähre Spannungswert, der den nachstehend erörterten Verschiebungswert
ergibt, beträgt etwa 160 Volt von Spitze zu Spitze.
Dies ergibt eine Verschiebung der richtigen Größenordnung, um die Amplituden zu erzielen, die in der Praxis
erforderlich sind, wie nachstehend noch ausgeführt wird.
In Fig 1 weisen die elektrischen Schaltungen die beiden Speisequellen 52 und 54 bekannter Ausführung
zum Einleiten und Aufrechterhalten der Gasentladung zwischen den Anoden und Kathoden der Laservorrichtung
auf.
Die Spiegelflächen der Anordnungen 28, 30 und 32 werden durch die Wandler, die von einer Dreiphasen-Vorspannungsschaltung
56 gespeist werden, in Vibrationsbewegung versetzt. Jeder der piezoelektrischen Wandlerstapel, ζ. B. der Stapel 44 nach F i g. 2, wird so
beaufschlagt, daß seine Vibration 120° phasenverschoben gegenüber den anderen ist.
In Fig. 2 sind die Laserstrahlen 57 und 58 so dargestellt, daß sie durch die teilweise mit Überzug
versehene Spiegelfläche 34 und durch dis öffnungen 59
und 60 im Gehäuse 40 treten. Wie in Fig. 1 gezeigt, treffen sie auf die äußeren Spiegel 61 und 62. Von diesen
Spiegeln 61 und 62 aus werden die Strahlen auf eine Meßvorrichtung 63 gerichtet, die die Schwebungsfrequenz
zwischen den beiden entgegengesetzt gerichteten Laserstrahlen ermittelt; die Schwingen treten auf,
wenn die ganze Anordnung gedreht wird.
In Fig. 3 sind die drei Spiegel des Ringlaser-Gyroskops
schematisch als Spiegel 64 mit zusätzlichen Spiegeln 65 und 66 dargestellt. Die neutrale Position
eines jeden Spiegels ist mit 64', 65' und 66' gezeigi. Wie durch die Pfeile 68 angedeutet, bewegt sich jeder
Spiegel nach innen und außen auf die Mitte der Laser-Gyroskopanordnung zu und von der Mitte weg.
In F i g. 3 stellt die stark ausgezogene Linie 70 den Pfad
des Laser-Gyroskopstrahles dar, wobei die Spiegel die gezeigte Position einnehmen. Insbesondere nimmt in
dieser Position der Spiegel 65 eine Position ein, die der am weitesten zurückgezogenen Position naheliegt,
während jeder der Spiegel 64 und 66 gegenüber dem ·> Spiegel 65 um aufeinanderfolgende Zuwachsanteile von
120° versetzt und deshalb in den Positionen weiter vorgeschoben ist. Somit wird die Anordnung so
gesteuert, daß die dreieckförmigen Laserstrahlpfade weitgehend konstant gehalten werden, wenn die drei ι ο
Spiegel sich fortschreitend in ihre und aus ihren Phasenbeziehungen der Vibrationsbewegung bewegen.
Bei einer mit vier Spiegeln arbeitenden Ringlaser-Gyroskopanordnung
werden die vier Spiegel von Wandlern gesteuert, die durch eine vierphasige Speisequeiie
gespeist werden, und die aufeinanderfolgenden Spiegel werden so betätigt, daß sie eine Vibrationsbewegung
ausführen, die um 90° gegenüber der eines jeden benachbarten Spiegels phasenverschoben ist.
Grundsätzlich ist die Phasenverschiebung zwischen benachbarten Spiegeln gleich 360° dividiert durch die
Anzahl der Spiegel.
In bezug auf die Frequenz der Vorspannungsschaltung 56 nach F i g. 1 ist es erwünscht, diese Frequenz
verhältnismäßig hoch zu wählen, zweckmäßigerweise in der Größenordnung von einigen 10 kHz bis zu
mehreren 100 kHz. Es können jedoch Frequenzen bis herab auf 1 oder 2 kHz verwendet werden.
Wenn die Spiegel sich in ihre und aus ihrer extremen zurückgezogenen Position in ihre extrem vorgeschobenen
Positionen bewegen, bewegen sich, wie in Fig. 3 dargestellt, die Auftreffstellen der Laserstrahlen über
die Spiegelflächen von einer extremen Position, bei der die entsprechenden Strahlpfade durch die Linien 72, 74
und 76 angedeutet sind, in die andere extreme Position, deren Pfade durch die Linien 78, 80 und 82 angedeutet
sind, hin und her. Wie in F i g. 3 durch den dreieckförmigen Pfad 70 dargestellt, erreichen die Strahlen die
extremen Positionen, die durch die Linien 72, 74 und 76 angedeutet sind, und im Anschluß daran die inneren
Begrenzungen 78, 80 und 82 zu unterschiedlichen Zeitpunkten, wobei der Laserstrahl stets exakt die
gleiche Länge besitzt.
Bei dem Ringlaser-Gyroskop nach der oben erörterten US-PS 35 33 014 werden die Spiegel und andere
Rückstreuquellen parallel zu ihren Oberflächen in Schwingungen versetzt, anstatt senkrecht zu den
Oberflächen, wie im Falle vorliegender Erfindung. Man hat festgestellt, daß es außerordentlich schwierig ist.
Anordnungen zur Bewegung der Spiegel eines Laser-Gyroskops in ihren eigenen Ebenen herzustellen und
gleichzeitig die Laserräume einwandfrei abzudichten sowie die anderen Erfordernisse einzuhalten.
Im Gegensatz hierzu werden im Falle vorliegender Erfindung die Laserstrahlen über die Oberflächen der
Spiegel in der Weise hin und her bewegt die mathematisch durch die Technik nach der US-PS
35 33 014 analysiert werden kann. Insbesondere ist die Formel nach Spalte 6, Zeilen 53-55 dieser Druckschrift
genau auf die Amplitude der im Falle vorliegender Erfindung verwendeten Spiegel anwendbar. Dieses
überraschende Resultat ergibt sich aufgrund der Tatsache, daß die Auftreffstellen der Laserstrahlen über
die Oberflächen der Spiegel um genau den gleichen Abstand hin und her versetzt werden, um den die
Spiegel nach innen und außen, d. h. gegen die Mitte der Anordnung von ihr weg, oszilliert werden.
Die in der US-PS 35 33 014 angegebene Formel, auf die oben Bezug genommen ist, ergibt sich ir
abgekürzter Form mit
B λ
4 .-τ (sin«)
wobei
A die maximale Verschiebung eines jeden Spiegels ir jeder Richtung aus einer neutralen Position,
A die Wellenlänge des Laserlichtes,
Θ der Winkel zwischen der Auftreffrichtung dei Laserstrahlen und einer Ebene senkrecht zu dei
Spiegeloberfläche, und
B eine beliebige Zahl ist, die als das Argument dei
Bessel-Funktion der Null-Ordnung genommen einer Wert der Bessel-Funktion ergibt, der Null ist.
Für die dreieckförmige Ausführungsform ist, wie in Fig. 1 gezeigt, θ gleich 30° und Sin θ gleich 15°. Aus
entsprechenden mathematischen Tabellen ergibt sich daß B einen Wert von 2,405 der Bessel-Funktion
niedrigster Ordnung besitzt. Werden diese Werte in Gleichung (1) eingesetzt, ergibt sich
A =
0,191 /.
sin θ
sin θ
A = 0,382/
Wird das Neon-Helium-Gasgemisch, auf das oben Bezug genommen worden ist, verwendet, beträgt die
Wellenlänge 0,633 Mikron und die Verschiebungsamplitude »A« beträgt etwa 0,242 Mikron, d. h
0,242 xlO-4 cm in jeder Richtung von der neutraler Position der Spiegel.
Wenn die drei Spiegel genau um 120° phasenverschoben
gegeneinander vibrieren, tritt keine Änderung dei augenblicklichen optischen Hohlraumlänge ein. Somit
wird der Laserbetrieb bei einer Frequenzlage in dei Mitte der Verstärkungskurve mit einer minimaler
Längen-Perturbation aufgrund des mit der Erfindung erzielten Effektes aufrechterhalten, der zweckmäßigerweise
als »Mikrozitter«-Modulation (microdither modulation) bezeichnet wird. Die Mikrozitter-Amplituden
liegen in der Größenordnung einer Subwellenlänge.
Die geometrische Analyse zeigt, daß das Stehwellenfeld, das der dreieckförmigen Ausbildung nach F i g. 3
zugeordnet ist, eine Translationsbewegung ausführt jedoch nicht rotiert, derart, daß die Scheitel des
Dreieckes Kreise beschreiben, wie durch die Pfeile in F i g. 3 gezeigt, während die Auftreffstellen Linien au!
den Oberflächen der Spiegel beschreiben, soweit die Spiegel sich nach innen und außen bewegen, so daE
jeder Laserstrahl sich über die Spiegeloberflächen hin und her bewegt Dies ergibt daß die Streuzentren in
bezug auf die umgesetzten, d.h. in der Position verschobenen Stehwellenfeldknoten verschoben werden,
so daß die Phasenverschiebungsforderung dei Phasenmodulation erfüllt wird. Diese Verschiebung
ergibt auch, daß das Stehwellenfeld in bezug auf eine körperfeste Öffnung verschoben wird.
Zusätzlich verändert sich der Abstand von einet Streugruppe zur nächsten Gruppe auf dem nächsten
Spiegel mit der Zeit Die Vektorsummierung des optisch rückgestreuten Lichtes von allen Streuflächen des
Laserhohlraumes bestimmt die Größe des »Mitzieh«- Effektes wie auch der endgültigen Phasenlage. Somit
bewirkt das »Mikrozittern« der Spiegel, daß der nutzbare Streuvektor in der Zeit moduliert wird. Dieser
Effekt trägt weiterhin zur Reduzierung des Mitzieh-Effektesbei.
Die Technik nach der US-PS 35 81 227 kann in dem Gyroskop nach vorliegender Erfindung als Gleich-Vorspannung
verwendet werden, der die eine geeignete Phasenlage aufweisenden Wechselstromsignale überlagert
werden können. Die US-PS 35 81 227 gibt keinen Hinweis auf eine Vielzahl von Spiegeln, deren jeder eine
piezoelektrische Steuerung besitzt, und es läßt sich ihr
auch nicht die Phasenvibration, d. h. die Schwingung der Spiegel entnehmen. Hierbei können Wandler verwendet
werden, die nicht piezoelektrische Elemente sind, um die Spiegel in der geeigneten Phasenbeziehung in
Schwingungen zu versetzen. Beispielsweise können magnetostriktive Wandler verwendet werden. Zusätzlich
können andere einen Lasereffekt ergebende Materialien und Laserhohlräume mit einer unterschiedlichen
Anzahl von Spiegeln, z. B. vier, Anwendung finden.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (5)
1. Ringlaser-Gyroskop mit wenigstens drei Spiegeln, die einen geschlossenen Pfad für den einen und
den anderen von zwei Lichtstrahlen aufbauen, die in zueinander entgegengesetzten Richtungen in einem
aktiven Lasermedium des Gyroskops fortschreiten, und mit individuell betätigbaren Wandlern, deren
jeder einen der Spiegel in Vibrationsbewegung versetzt, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vibrationsbewegung der Spiegel (64,65,66) in Form einer parallelen, nach rückwärts und vorwärts
auftretenden Verschiebung in Richtung senkrecht zu der Spiegelfläche erfolgt, und daß die Vibrationsbewegung
so steuerbar ist, daß konstante Laserstrahlpfadlängen aufrechterhalten werden.
2. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Spiegel (64, 65, 66) mit
einer Phasendifferenz in bezug auf einen benachbarten Spiegel in Vibrationen versetzbar ist, die gleich
einem Winkel von 360° dividiert durch die Anzahl der Spiegel ist.
3. Ringlaser-Gyroskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vibrationsbewegung
für alle Spiegel (64, 65, 66) etwa gleiche Amplituden hat.
4. Ringlaser-Gyroskop nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die
Vibrationsbewegung aller Spiegel (64,65,66) zeitlich
sinusförmig verläuft.
5. Ringlaser-Gyroskop nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Translationsverschiebung
eines jeden Spiegels (64,65,66) in der Größenordnung von
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