DE3700844A1 - RING LASER - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser mit einem Block aus einem di­ elektrischen Material, in welchem wenigstens ein Durchgang ausgebildet ist, der eine geschlossene polygonale Bahn bildet, die in einer Ebene innerhalb des Blockes liegt und ein aktives gasförmiges Medium in dem Durchgang enthalten ist.The invention relates to a ring laser with a block of a di electrical material in which at least one passage is formed is that forms a closed polygonal path that is in one plane lies within the block and an active gaseous medium in the Passage is included.

Ringlaser werden als Sensoren für Winkelbewegungen verwendet, hauptsächlich aber nicht ausschließlich in Trägheitsnavigationssystemen. Ein Ringlaser besteht hauptsächlich aus zwei Laserstrahlen, die in entgegengesetzten Richtungen längs derselben geschlossenen Bahn laufen. Gewöhnlich hat diese Bahn allgemein die Form eines Dreieckes. Die Rotations-Raten um eine Achse senkrecht zur Ebene des Ringlaser-Resonanzhohlraumes werden gemessen durch Erfassen einer auftretenden Schwebungsfrequenz, die eine Folge der Frequenzdifferenz zwischen den gegenläufigen Strahlen ist, resultierend aus der Rotation.Ring lasers are mainly used as sensors for angular movements but not exclusively in inertial navigation systems. A ring laser consists mainly of two laser beams that are in opposite Run directions along the same closed path. Usually has this path generally has the shape of a triangle. The rotation rates around become an axis perpendicular to the plane of the ring laser resonance cavity measured by detecting an occurring beat frequency, the one Consequence of the frequency difference between the opposing beams is resulting from the rotation.

Eine allgemein benutzte Form eines Ringlasers ist in dem US-Patent 33 90 606 und dem entsprechenden Britischen Patent 11 42 962 beschrieben. Der dort gezeigte Ringlaser hat einen massiven Block aus einem dielektrischen Material, in welchem drei Kanäle ausgebildet sind, die einen dreieckigen Kanal durch den Block bilden. An den Punkten, an denen sich Paare der Kanäle schneiden, sind Spiegel angeordnet, und einer der Spiegel bildet außerdem einen Teil der Detektoreinrichtung. Die Kanäle sind mit einem geeigneten Gas oder Gasgemisch gefüllt und es wird eine elektrische Entladung in dem Gas zwischen Anode und Kathode erzeugt, die sich in das Lasergas erstrecken.A commonly used form of ring laser is in the US patent 33 90 606 and the corresponding British patent 11 42 962 described. The ring laser shown there has a solid block a dielectric material in which three channels are formed, which form a triangular channel through the block. At the points, at where pairs of channels intersect, mirrors are arranged, and one of the mirrors also forms part of the detector device. The channels are filled with a suitable gas or gas mixture and it there is an electrical discharge in the gas between the anode and cathode generated that extend into the laser gas.

Eine solche Anordnung zur Erzeugung einer elektrischen Entladung im Gas hat mehrere Nachteile. Einer davon ist die Notwendigkeit, eine Erreger­ energiequelle vorzusehen, die eine Betriebsgleichspannung von etwa 500-1000 Volt erzeugt, mit einer Zündspannung bis herauf zu etwa 3000 Volt. Eine solche Energiequelle ist notwendigerweise räumlich relativ groß. Ferner entstehen durch das Vorhandensein von Anode und Kathode Zerstäubungseffekte und Gasströmungseffekte.Such an arrangement for generating an electrical discharge in the gas has several disadvantages. One of them is the need to be a pathogen provide energy source that has a DC operating voltage of about Generated 500-1000 volts, with an ignition voltage up to about 3000 volts. Such an energy source is necessarily spatial relatively large. Furthermore, the presence of anode and Cathode sputtering and gas flow effects.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Ringlaser zu schaffen, der die vor­ genannten Nachteile jedenfalls im wesentlichen vermeidet.It is an object of the invention to provide a ring laser that the at least substantially avoids the disadvantages mentioned.

Nach der Erfindung ist hierzu ein Ringlaser der eingangs genannten Art vorgesehen, der zwei Elektroden hat, die außerhalb des Durchgangs oder Kanales parallel zu und an gegenüberliegenden Seiten von wenigstens einem Teil des Kanales angeordnet sind und die im Betrieb kapazitiv mit dem aktiven gasförmigen Medium durch das dielektrische Material gekoppelt sind, wodurch eine Laserwirkung in dem aktiven Gasmedium bewirkt und eine elektrische Entladung in dem Gas quer zur Richtung des Kanales erzeugt wird durch anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an die beiden Elektroden.According to the invention, this is a ring laser of the type mentioned Art provided that has two electrodes that are outside the passage or channel parallel to and on opposite sides of at least part of the channel are arranged and the capacitive with the operation coupled to the active gaseous medium through the dielectric material are, which causes a laser effect in the active gas medium and a electrical discharge is generated in the gas across the direction of the channel by applying a high frequency AC voltage to the two Electrodes.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird anhand der Zeichnung erläutert, in derAn example embodiment of the invention is based on the Drawing explained in the

Fig. 1 vereinfacht in Draufsicht einen Ringlaser nach einer ersten Ausführungsform der Erfindung zeigt. Fig. 1 shows a simplified top view of a ring laser according to a first embodiment of the invention.

Fig. 2 zeigt eine teilweise geschnittene Seitenansicht des Ringlasers nach Fig. 1. FIG. 2 shows a partially sectioned side view of the ring laser according to FIG. 1.

Fig. 3 zeigt eine Schaltung einer Energiequelle, die sich für den Ring­ laser nach Fig. 1 eignet. Fig. 3 shows a circuit of an energy source, which is suitable for the ring laser of FIG. 1.

Fig. 4 zeigt eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung. Fig. 4 shows a plan view of a second embodiment of the invention.

Die Fig. 1 und 2 zeigen einen Ringlaser mit einem Block 10 aus einem di­ elektrischen Material, wie z.B. einem Glas-Keramik-Material, das eine hohe thermische Stabilität hat. Der Block 10 hat zweckmäßigerweise die Form eines abgestumpften Dreiecks, wie Fig. 1 zeigt. Drei Kanäle 11 sind durch den Block 10 parallel zu den drei Seiten des Dreiecks gebohrt. Die drei Kanäle münden in den abgestumpften Ecken des Blockes. Jede dieser drei Ecken trägt einen Spiegel 12, der so montiert ist, daß die Laser­ strahlung, die aus einem Kanal austritt, längs des nächsten Kanals reflektiert wird, so daß die Strahlung einem geschlossenen Weg durch die Kanäle folgt. Zwei der Spiegel können voll reflektierend sein, während der dritte Spiegel teildurchlässig ist und einem Detektor 13 zu­ geordnet ist, der einen elektrischen Ausgang auf einer Leitung 14 erzeugt. Figs. 1 and 2 show a ring laser having a block 10 of a di-electric material such as a glass-ceramic material having a high thermal stability. The block 10 expediently has the shape of a truncated triangle, as shown in FIG. 1. Three channels 11 are drilled through block 10 parallel to the three sides of the triangle. The three channels open into the blunted corners of the block. Each of these three corners carries a mirror 12 which is mounted so that the laser radiation emerging from one channel is reflected along the next channel so that the radiation follows a closed path through the channels. Two of the mirrors can be fully reflective, while the third mirror is partially transparent and is assigned to a detector 13 , which produces an electrical output on a line 14 .

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, sind zwei Nuten 15 in dem Block ausgebildet, entsprechend über und unter einem der Kanäle 11. Am Grund von jeder der Nuten 15 ist eine metallische Elektrode 16 angeordnet, an die eine hoch­ frequente Erreger-Wechselspannung von einer geeigneten Energiequelle angelegt werden kann.As shown in FIGS. 1 and 2, two grooves 15 are formed in the block, respectively above and below one of the channels 11 . At the bottom of each of the grooves 15 , a metallic electrode 16 is arranged, to which a high-frequency excitation AC voltage from a suitable energy source can be applied.

In der Mitte des Blockes 10 kann ein Zittermechanismus 17 angeordnet sein, der in der Lage ist, den Block um einen kleinen Winkel um eine Achse 18 zum Oszillieren zu bringen, wobei die Achse 18 die Achse ist, um welche der Ringlaser Winkelbewegungen messen kann. Solche Zitter- Mechanismen sind bekannt und werden daher hier nicht beschrieben.In the middle of the block 10 there can be arranged a trembling mechanism 17 which is able to oscillate the block by a small angle around an axis 18 , the axis 18 being the axis about which the ring laser can measure angular movements. Such trembling mechanisms are known and are therefore not described here.

Im Betrieb wird eine geeignete hochfrequente Wechselspannung an die beiden Elektroden 16 angelegt, wodurch das gasförmige aktive Laser­ medium erregt wird, gewöhnlich ein Gemisch aus Helium und Neon, das in dem Kanal 11 zwischen den beiden Elektroden enthalten ist. Diese Erregung erfolgt quer zur Richtung des Kanales 11 und es wird eine elektrische Entladung im Gas erzeugt, wodurch der Laser in Betrieb gesetzt wird. Hierbei werden Laserstrahlen erzeugt, die in beiden Rich­ tungen längs des geschlossenen Weges laufen, der durch die Kanäle 11 und die Spiegel 12 gebildet ist.In operation, a suitable high frequency AC voltage is applied to the two electrodes 16 , whereby the gaseous active laser medium is excited, usually a mixture of helium and neon, which is contained in the channel 11 between the two electrodes. This excitation takes place transversely to the direction of the channel 11 and an electrical discharge is generated in the gas, whereby the laser is started. Here, laser beams are generated which run in both directions along the closed path which is formed by the channels 11 and the mirror 12 .

Die Verwendung einer quergerichteten hochfrequenten Wechselspannung zur Erregung des Lasers hat mehrere Vorteile. Es ist nicht erforderlich, die Elektroden in die Kanäle 11 einzusetzen, womit die Probleme, die durch solche Elektroden sonst auftreten, vermieden werden.The use of a cross-directional high-frequency AC voltage to excite the laser has several advantages. It is not necessary to insert the electrodes into the channels 11 , which avoids the problems that would otherwise arise from such electrodes.

Die quergerichtete kapazitive Kopplung der hochfrequenten Wechselspannung über die glaskeramischen Wände zwischen den Elektroden erlaubt eine stark reduzierte Steuerspannung in der Größenordnung von 5-10 Volt bei einer Frequenz zwischen etwa 10 MHz und 5 Giga-Hertz. Es liegt ein kapazitiver Ballast vor, so daß keine Ballast-Widerstände erforderlich sind, weshalb der Energieverbrauch wesentlich niedriger ist. Der genannte Frequenz­ bereich liegt innerhalb des Haupt-Kommunikations-Bandes, weshalb kleine Energiequellen mit niedrigen Kosten verwendet werden können. Eine für diesen Zweck geeignete Energiequelle ist in Fig. 3 dargestellt. Der dort gezeigte Speiseenergie-Kreis ist sehr einfach und er besteht aus einem Hochfrequenz-Oszillator 30, der ein Wechselspannungssignal der gewünschten Frequenz erzeugt. Dieses Signal wird durch einen Verstärker 31 verstärkt, um den erforderlichen Spannungspegel zu schaffen, und es wird mit dem Ringlaser, der schematisch bei 32 gezeigt ist, durch ein Widerstands-Anpassungs-Netzwerk 32 gekoppelt.The cross-directional capacitive coupling of the high-frequency AC voltage across the glass-ceramic walls between the electrodes allows a greatly reduced control voltage of the order of 5-10 volts at a frequency between approximately 10 MHz and 5 gigahertz. There is a capacitive ballast, so that no ballast resistors are required, which is why the energy consumption is significantly lower. The frequency range mentioned lies within the main communication band, which is why small energy sources can be used at low cost. A suitable energy source for this purpose is shown in FIG. 3. The feed energy circuit shown there is very simple and consists of a high-frequency oscillator 30 which generates an AC signal of the desired frequency. This signal is amplified by an amplifier 31 to provide the required voltage level and is coupled to the ring laser, shown schematically at 32 , through a resistance matching network 32 .

Der Laser nach Fig. 1 hat Elektroden, die einem der drei Kanäle 11, die in dem Block ausgebildet sind, zugeordnet sind. Es kann jedoch auch eine Erregung an einer oder beiden der anderen Kanäle vorgesehen werden, falls erforderlich, abhängig z.B. von der Bohrung des Kanales und der erforderlichen oder für einen zufriedenstellenden Betrieb gewünschten Verstärkung.The laser of FIG. 1 has electrodes which are assigned to one of three channels 11 which are formed in the block. However, excitation may also be provided on one or both of the other channels, if necessary depending on, for example, the bore of the channel and the gain required or desired for satisfactory operation.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht einen Ringlaser mit zwei Paaren von Elektroden. Fig. 4 shows a top view of a ring laser with two pairs of electrodes.

Der Ringlaser wird nicht als Wellenleiter-Laser betrieben. Die Elektroden brauchen nicht notwendigerweise in Nuten in dem dielektrischen Material zu liegen, obwohl dies eine Möglichkeit ist, die Dicke des Materials zwischen den Elektroden und den Kanälen zu reduzieren. Wenn ein Material ausreichender Festigkeit zur Verfügung steht, kann der Block genügend dünn ausgeführt werden, und die Elektroden können an seiner Oberfläche ausgebildet sein. Alternativ kann die Dicke des Materials durch Verwendung anderer Formen reduziert werden.The ring laser is not operated as a waveguide laser. The electrodes do not necessarily need to be in grooves in the dielectric material to lie, although this is a way to vary the thickness of the material between to reduce the electrodes and channels. If a material is sufficient Strength is available, the block can be made thin enough and the electrodes can be formed on its surface. Alternatively, the thickness of the material can be changed using other shapes be reduced.

Die Verwendung einer quergerichteten hochfrequenten Wechselspannungs-Erregung des Lasers hat mehrere Vorteile. Die Entladung im Gas erfolgt im wesentlichen zwischen den beiden Elektroden, d.h. anders als bei dem longitudinal erregten Gleichspannungs-Ringlaser. Das heißt, daß die Entladung ausreichend entfernt von den Spiegeln erfolgt, wodurch die Gefahr einer Beschädigung der Spiegel durch Ultraviolett-Bestrahlung oder Ionenbeschuß vermieden wird. Der Aufbau ist einfacher als bei dem gleichspannungs-erregten Ringlaser, was zu ge­ ringeren Kosten führt. Die einzigen Dichtungen sind die für die drei Spiegelöffnungen und eine Gaseinfüllöffnung. Glaskeramik-Materialien sind besonders geeignet, da sie stabil bleiben und nur sehr kleine oder keine Wärmedehnungskoeffizienten über einen sehr weiten Temperaturbereich von etwa -50°C bis 400°C haben. Beispiele solcher Materialien sind unter den Warennamen Zerodur, Cervit und ULE bekannt.The use of cross-directional high frequency AC excitation of the laser has several advantages. The discharge in the gas takes place essentially between the two electrodes, i.e. different from the longitudinally excited DC ring laser. This means that the discharge is removed sufficiently done by the mirrors, reducing the risk of damage to the mirrors is avoided by ultraviolet radiation or ion bombardment. The structure is easier than with the DC-excited ring laser, which leads to ge  leads to lower costs. The only seals are those for the three Mirror openings and a gas fill opening. Glass ceramic materials are particularly suitable because they remain stable and only very small or no thermal expansion coefficients over a very wide temperature range from about -50 ° C to 400 ° C. Examples of such materials are below known as Zerodur, Cervit and ULE.

Claims (8)

1. Ringlaser mit einem Block aus einem dielektrischen Material, in welchem wenigstens ein Kanal ausgebildet ist, der eine geschlossene polygonale Bahn bildet, die in einer Ebene in dem Block liegt, sowie einem aktiven gasförmigen Medium, das in dem Kanal angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Elektroden außerhalb des Kanales parallel zu und auf gegenüberliegenden Seiten von wenigstens einem Teil des Kanales angeordnet sind und im Betrieb kapazitiv mit dem aktiven gasförmigen Medium gekoppelt sind, um eine elektrische Entladung in diesem quer zur Richtung des Kanales zu erzeugen durch Anlegen einer hochfrequenten Wechselspannung an die beiden Elektroden.1. Ring laser with a block of a dielectric material, in which at least one channel is formed, which forms a closed polygonal path that lies in one plane in the block, and an active gaseous medium, which is arranged in the channel, characterized in that two electrodes are arranged outside of the channel parallel to and on opposite sides of at least part of the channel and are capacitively coupled in operation with the active gaseous medium, to an electric discharge in this to generate transverse to the direction of the channel by applying a high frequency AC voltage to the two electrodes. 2. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Block aus dielektrischem Material drei Kanäle enthält, die eine im wesentlichen dreieckförmige geschlossene Bahn bilden.2. Ring laser according to claim 1, characterized in that the block dielectric material contains three channels, one essentially form a triangular closed path. 3. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Elektroden nur an einem der Kanäle angeordnet sind.3. Ring laser according to claim 1, characterized in that the two Electrodes are only arranged on one of the channels. 4. Ringlaser nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der beiden Elektroden in einer Nut angeordnet ist, die sich von der Oberfläche des Blockes aus dielektrischem Material auf den Kanal zu erstreckt.4. Ring laser according to one of claims 1-3, characterized in that at least one of the two electrodes is arranged in a groove, extending from the surface of the block of dielectric material extends to the canal. 5. Ringlaser nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Block drei Spiegel aufweist, von denen jeder am Schnittpunkt von zwei der Kanäle angeordnet ist, so daß die aus einem Kanal aus­ tretende Laserstrahlung in den angrenzenden Kanal hineinreflektiert wird.5. Ring laser according to one of claims 2-4, characterized in that the block has three mirrors, each at the intersection is arranged by two of the channels, so that from one channel emerging laser radiation is reflected into the adjacent channel becomes. 6. Ringlaser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Block aus einem Glas-Keramik-Material besteht. 6. Ring laser according to one of the preceding claims, characterized records that the block consists of a glass-ceramic material.   7. Ringlaser nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive gasförmige Medium ein Gemisch aus Helium und Neon ist.7. Ring laser according to one of claims 1-6, characterized in that the active gaseous medium is a mixture of helium and Is neon. 8. Ringlaser nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der hochfrequenten Wechselspannung im Bereich von 10 Mega-Hertz bis 5 Giga-Hertz liegt.8. ring laser according to one of claims 1-7, characterized in that the frequency of the high frequency AC voltage in the range from 10 mega hertz to 5 giga hertz.