EP0764354A1 - Diode-pumped solid-state ring laser gyroscope - Google Patents

Diode-pumped solid-state ring laser gyroscope

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EP0764354A1
EP0764354A1 EP96904015A EP96904015A EP0764354A1 EP 0764354 A1 EP0764354 A1 EP 0764354A1 EP 96904015 A EP96904015 A EP 96904015A EP 96904015 A EP96904015 A EP 96904015A EP 0764354 A1 EP0764354 A1 EP 0764354A1
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EP
European Patent Office
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laser
ring
ring laser
festköφer
solid
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Withdrawn
Application number
EP96904015A
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German (de)
French (fr)
Inventor
Thorsteinn Halldorsson
Nikolaus Peter Schmitt
Karin Bauer
Hartmut Neumann
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Individual
Original Assignee
Individual
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Publication date
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Publication of EP0764354A1 publication Critical patent/EP0764354A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01C—MEASURING DISTANCES, LEVELS OR BEARINGS; SURVEYING; NAVIGATION; GYROSCOPIC INSTRUMENTS; PHOTOGRAMMETRY OR VIDEOGRAMMETRY
    • G01C19/00—Gyroscopes; Turn-sensitive devices using vibrating masses; Turn-sensitive devices without moving masses; Measuring angular rate using gyroscopic effects
    • G01C19/58—Turn-sensitive devices without moving masses
    • G01C19/64—Gyrometers using the Sagnac effect, i.e. rotation-induced shifts between counter-rotating electromagnetic beams
    • G01C19/66—Ring laser gyrometers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/06—Construction or shape of active medium
    • H01S3/0602—Crystal lasers or glass lasers
    • H—ELECTRICITY
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    • H01S3/05—Construction or shape of optical resonators; Accommodation of active medium therein; Shape of active medium
    • H01S3/08—Construction or shape of optical resonators or components thereof
    • H01S3/081—Construction or shape of optical resonators or components thereof comprising three or more reflectors
    • H01S3/083—Ring lasers
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    • H01S3/091—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping
    • H01S3/094—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light
    • H01S3/0941—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping using optical pumping by coherent light of a laser diode
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    • H01S3/00—Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/10—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating
    • H01S3/105—Controlling the intensity, frequency, phase, polarisation or direction of the emitted radiation, e.g. switching, gating, modulating or demodulating by controlling the mutual position or the reflecting properties of the reflectors of the cavity, e.g. by controlling the cavity length

Definitions

  • the invention relates to a diode-pumped solid-state ring laser gyro according to the preamble of claim 1.
  • a method widely used today for measuring the rotational movement of a moving device - for example a vehicle, ship, aircraft or satellite - is the use of ring laser gyroscopes (RLK).
  • the gyro is used for the control and stabilization of the movement, the north facing as well as for the calibration of acceleration sensors in inertial navigation systems.
  • Long-term navigation on planes requires long-term stability of better than 0.01 ° / h, for ship navigation even 0.001 ° / h, for measurements in combination with other navigation methods such as the Global Positioning System (GPS) and for short-term measurements of rotary movements in The vehicle, missile and fighter aircraft, on the other hand, require 10 ° h to 100 ° / h.
  • the measuring range is usually between 0-107s. Since the RLK basically only records one axis of rotation due to its planar structure, three gyros that are perpendicular to each other are required for measurements in all spatial directions.
  • the physical basis of the ring laser gyroscope is the Sagnac effect, which describes the influence of a rotational movement on the propagation of light waves. If a light wave is deflected through 360 ° by mirror reflection or in an optical waveguide and brought to overlay with itself again, ring waves are created. Since both directions of rotation are equivalent, both a left and a right-rotating ring shaft can be formed at the same time. With a rotation of the shaft-guiding structure, the frequency of the moving ones increases and the one decreases Frequency of the opposite wave. In the RLK in particular, the opposing waves in the ring are constantly optically amplified.
  • part of the two waves is coupled out of the ring with a divider mirror and superimposed on a photodetector for measuring the differential reference frequency.
  • This is proportional to the rotation rate ⁇ and proportional to the area A enclosed by the waves, but inversely proportional to the light path L and the wavelength ⁇ in the amplifying medium:
  • the laser gyros available on the market use HeNe gas lasers.
  • the resonator is designed either as an isosceles triangle with three or as a square with four deflecting mirrors.
  • Two gas discharge tubes along the beam path ensure laser amplification at the wavelength of 0.633 ⁇ m or 1.152 ⁇ m.
  • the laser is usually integrated in a block made of a material with an extremely low expansion coefficient.
  • the deflecting mirrors are vacuum-tight at the corners.
  • the holes are evacuated and filled with the He-Ne mixture to a pressure of a few torr.
  • the gas discharge is ignited between two electrodes.
  • the deflection mirrors form the optical resonator. As with a longitudinal resonator, one or two of the mirrors are spherically curved, the rest are flat. A deflection of 60 ° (isosceles triangle) or 90 ° (square) in the plane at each mirror ensures that a closed ring wave is created; however, this requires a very precise alignment of the mirrors as with the linear resonator.
  • One of the deflecting mirrors is optically partially transparent. Part of the two ring waves is decoupled and both are combined in a special deflection prism on a photodetector, where they form an interference fringe pattern with a slight inclination of the wave fronts.
  • the Sagnac effect that occurs when the gyro is rotated is detected as the movement of the interference fringes across its sensitive surface.
  • the direction of rotation of the gyro can be clearly determined on the direction of movement of the interference fringes, which is detected with a double photodiode.
  • the angle of inclination of the two beams ⁇ and the size of the photodetector area drf are matched to one another in such a way that the diameter of the detector corresponds approximately to the distance between two interference minima ⁇ ⁇ :
  • the task of the photodetector is to count the number of intensity strips N, which is proportional to the angle of rotation ⁇ , with
  • the laser In order for the interference pattern to remain spatially stable, the laser must operate in a transverse fundamental mode and at the same time on a single longitudinal mode of the resonator.
  • the basic mode and its spatial stabilization is forced by limiting the beam path with apertures. Longitudinal single-mode operation occurs automatically when a closed ring wave is formed.
  • the absolute position of the laser frequency must be kept very stable so that no measurement errors arise due to frequency fluctuations, which have the same effect for both ri waves, but contribute to the overall noise background. This is done by setting the position of the mirrors with piezo actuators to a fixed frequency value. Incorrect measurements that can occur are bias errors due to uneven amplification of the two opposite ring waves, a difference in the course of the two optical beam paths and asymmetry in ion transport in the gas discharge (Langmuir flow).
  • the best known disturbance in a ring laser gyroscope is the so-called "frequency lock-in", due to optical crosstalk between the opposing ring waves.
  • the laser waves are reflected on the multilayer dielectric deflecting mirrors, a small amount of scattered light is generated on the surface, which is partly scattered back in the opposite direction in the beam path. This stray light is further amplified by the laser process and now competes with the second measuring wave.
  • the very high frequency of the laser waves e.g.
  • the RLK based on gas lasers has the following disadvantages:
  • the overall efficiency of the laser is very low at ⁇ 0.01% (thermal load)
  • the RLK with the HeNe laser is very common as a component of inertial platforms in aircraft and ships, despite this high technical effort.
  • the so-called passive fiber gyro has recently become the Sagnac effect for phase shifting mutually rotating light waves in glass fibers leads, increasingly used.
  • This technology has the great advantage that opto-semiconductors with low frequency quality, long life and low costs can be used as light sources. Disadvantages are the thermal and mechanical sensitivity of the relatively bulky large fiber spool, and the low angular resolution that can be achieved.
  • monolithic ring lasers have been known for some time from the literature (see, for example, TJKane and RLByer, "Monolithic, unidirectional single-mode Nd: YAG ring laser", Optics Letters, Vol. 10, No 2, p. 65 (1985) and Already offered on the market by Lightwave in the USA as a particularly frequency-stable laser source (MISER)
  • MISER frequency-stable laser source
  • Such lasers are the subject of intensive research because they can deliver single-mode, very narrow-band radiation for various applications down to the power range close to 1 W (see, for example, I. Freitag, P. Rottengatter, A. Tünnermann and H.
  • the inexpensive miniaturized semiconductor lasers would be conceivable as laser amplifiers in open Rmglaser mirror structures, but because of the low frequency stability and poor beam quality they are unsuitable for realizing a high-quality RLK and are too expensive for lower demands. Due to its poor measurement resolution, the fiber gyroscope offers a replacement only for certain applications and, in principle, cannot be made small.
  • the present invention has for its object to design a diode-pumped solid-state ring laser gyroscope that is not only simplified and miniaturized in its mechanical structure, but also has no moving parts and against external disturbances is insensitive, also corresponds to a high-quality HeNe-RLK in measurement resolution and measurement accuracy and allows simultaneous rotation rate measurement around all spatial axes in a monolithic gyroscope.
  • Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment with laser diodes as excitation sources, a ring laser gyroscope body made of solid-state laser material and coupling plates with deflection prism.
  • Fig. 2a shows a sketch of the adjusted focus of the
  • FIG. 2b shows a tilted arrangement according to FIG. 2a with a relatively long absorption length
  • FIG. 3 shows an arrangement analogous to FIG. 2, but in which the pump light radiation is brought to the resonator mode via glass fibers,
  • Fig. 4 shows an embodiment of a ring laser gyro arrangement
  • Ultrasonic wave generator for frequency splitting of the ring waves rotating in opposite directions
  • FIG. 5 shows an embodiment of a dielectric plate used for coupling with an actuator for manipulating the distance of the plate from the resonator mode
  • FIG. 6 shows a schematic diagram to illustrate the "Goos chicken shift", which leads to a shift in the beam position when the distance of the dielectric plate changes
  • Fig. 7 shows a special embodiment with three independent
  • Ring lasers which are built in three mutually perpendicular cutting planes of a cube or cuboid.
  • Lamp-pumped solid-state lasers have so far not been considered for the proposed application, particularly because of their poor beam quality and unstable frequency response. Excitation with diode lasers and the associated significantly improved efficiency and lower thermal load on the solid-state laser material make it possible to produce compactly designed laser systems that achieve beam quality and frequency stability that are comparable or even better than with gas lasers with relatively little effort.
  • the diode-pumped solid-state laser for the realization of miniaturized RLK compared to the gas laser offers the advantages of high amplification in a small material volume and lower frequency and amplitude noise.
  • Diode-pumped solid-state lasers of the laser-capable ions of the rare earths, with which various host crystals and glasses are doped, are particularly suitable.
  • the neodymium can also be incorporated into other host crystals and glasses.
  • Other laser-capable ions of the rare earths are e.g. Erbium, holmium, thulium and praseodymium, which then also provide other emission wavelengths due to their different energy transitions.
  • the wavelength of the Nd ion of 1.32 ⁇ m and the wavelength of the Er ion of 1.54 ⁇ m coincide with the most commonly used wavelengths in fiber communication and, at the same time, enable the cheap components of the telecommunications industry to be used when implementing the RLK.
  • the RLK can also be implemented with other types of solid-state lasers such as Cr lasers and Ti sapphire in addition to the rare earth ion lasers.
  • the object of the invention namely the use of the Sagnac effect of two counter-rotating ring waves of a monolithic solid-state ring laser as a gyro is proposed here for the first time. It is based on the Use of the Festkö ⁇ ers simultaneously as a light path for the ring waves and as their amplification medium. A mechanically and thermally very stable gyro base body can thus be realized, in which by using the total reflection at the interfaces to the deflection of the mirror, the disturbing "mirror scattered light" is minimized.
  • the radiation from the excitation source is imaged through the boundary surface of the basic body in the laser beam path and thus allows a large mechanical and thermal decoupling of both systems.
  • the laser As shown in FIG. 1, it is proposed in one exemplary embodiment to construct the laser as a square disk. Its typical size, easily achievable with today's production equipment, would be e.g. a side length of 1 cm and a height of 3 mm.
  • the laser base body To detect the rotation around all three spatial axes, the laser base body must be designed as a cube or cuboid, in which three mutually independent ring lasers are constructed in three mutually perpendicular sectional planes of the cube or cuboid, as will be explained later. Basically, however, the same construction methods apply to the cube as to lasers in square slices.
  • a stable longitudinal mode i.e. a mode in the frequency domain is automatically set when a ring wave is formed.
  • the invention proposes a method of mode filtering and stabilization, which has the great advantage over the use of diaphragms as in the HeNe-RLK, which cause attenuation by light diffraction, to avoid the formation of the disturbing scattered light of the diaphragms.
  • This method which is shown in the exemplary embodiment in FIG. 2, consists in spatially adapting the volume of the excitation by the pump light so well to the mode volume of the basic mode of the ring laser that only this one mode is amplified in the laser medium. This is possible because the size of the excitation source, which can either be the emission surface of the diode or its glass fiber end, can be optimally adapted to the size of the laser mode.
  • the light can be imaged on defined areas of the mode volume of 100-200 ⁇ m diameter with an accuracy in the ⁇ m range.
  • the pump radiation must be collinearly focused to the resonator mode in the laser material (FIG. 2b). With a sufficiently short absorption length, on the other hand, it is sufficient if the pump light in the Reflection area of fashion is focused.
  • the pump light radiation can be focused directly from the laser diode into the laser material, but a more flexible design can be achieved by first coupling the pump light into glass fibers and then introducing it to the ring laser gyroscope (Fig. 3).
  • the invention proposes, as shown in the exemplary embodiment in FIG. 3, by using several adjacent excitation sources (diodes or fibers), which are individually controlled, to spatially adjust the beam to an optimal path through the crystal .
  • the neighboring light sources two or three
  • the neighboring light sources are brought to a partial overlay by imaging in the area of the mode volume.
  • individual control of the diodes it is then possible to vary the intensity distribution in the overlapping area.
  • the profile of the basic mode can thus be controlled within the stability range of the ring resonator and the laser can be brought to optimal operating conditions.
  • Such a beam path control is also possible in the structure with separate excitation areas as in FIG. 3.
  • the invention therefore proposes, similarly to the magneto-optical mirrors in the He-Ne gyro, to use this effect around the frequency measurement range of the gyro outside of the “lock-in”
  • a modulation frequency of 1 kHz for example, the maximum rotation rate is then 120 ° / sec, which would be completely sufficient for all practical cases.
  • the Festkö ⁇ er as a beam-guiding medium opens up further paths for one-sided frequency shifting of one ring wave against the other, namely by utilizing the Doppler shift of the light wave on an acoustic wave that propagates through the medium.
  • the invention proposes, as shown in FIG. 4, to introduce a sound wave from an external sound generator into the crystal as a traveling wave in such a way that the opposing ring waves experience different Doppler shifts. This can be accomplished by a suitable choice of the angle of incidence of the sound wave on the gyro medium.
  • the Doppler shift in the case of vertical impact of the light on the sound wave front would be in the very high frequency range of 3-6 GHz, it is advisable to move the sound wave only at a very small angle of the order of a few degrees across the ring wave of the gyro through the solid body.
  • the difference in the Doppler shift on the two ring waves is then in the range of 10-100 MHz, which facilitates later signal processing.
  • a defined optical crosstalk For the decoupling of the measuring wave from the RLK, it is proposed to use a defined optical crosstalk to a dielectric plate which is brought very close to the reflecting surface. It is known that when light is totally reflected at interfaces, e.g. glass against air or glass against glass in light guides, the wave is not completely reflected at the geometric interface, but the wave tunnels out of the surface before it returns to the medium without losses. When a dielectric plate is approached to the interface a fraction of a wavelength apart, part of the wave penetrates into it Dielectric into it and is passed there as a light beam. The intensity of the continuous wave depends on the angle of incidence of the wave on the interface and the air gap.
  • the wave can be modulated from total reflection to complete transmission.
  • This effect has been used to decouple light waves in solid-state lasers (see S. Schiller, II Yu, MM Fejer and RL Byer, "Fused-silica monolithic total-internal-reflection resonator", Optics Letters Vol 17, No 5, p.378 (1992), but has so far not been used for decoupling the measuring shaft from a laser gyroscope.
  • the invention - as shown in the embodiment in Fig. 5 - provides that the dielectric coupling plate with a microactuator - for example a piezo or electrostatic element - is brought to the required distance from the gyro surface, which corresponds to the desired transmission value. Since the transmission can be controlled electronically, the invention proposes that the distance be regulated to a fixed value by measuring the output power with a photodiode. By manipulating the distance between the plate and the resonator mode, it is possible to influence the intensity of the output power and possibly also the beam position.
  • This method of decoupling can be carried out simultaneously on several sides of the gyro.
  • the invention provides that the decoupling is carried out, for example, simultaneously on two opposite sides, and a device for measuring the Sagnac effect is installed on both sides.
  • the simultaneous measurement at two measuring points on the laser gyro opens up the possibility of applying different electronic correlation methods to the measuring signals. With such correlation methods, reliable measurements can be made even with a strong background of noise. Systematic measurement anomalies in the gyroscope, due to its structure or operation, can also be eliminated.
  • the possibility of electronic modulation of the transmission can be used, for example, to carry out the decoupling at both measuring stations synchronously or asynchronously with different frequencies.
  • the invention provides the method of deflecting the one wave in a corner mirror, which has been proven by other laser gyros, and which also ensures that the axes of the two ring waves generate an interference strip with an angle ⁇ according to formula (2 ) hit the photodetector ..
  • the invention further proposes to carry out the adjustment of the frequency of the solid body RLK using a method which is new for this and which is based on the tunneling of the light wave to a second near dielectric.
  • the effect that is used here is the so-called Goos-Hänchen displacement 2z g of the wave at the interface, as shown in the exemplary embodiment in FIG. 6.
  • the wave emerges from the dielectric the point of intersection of the axis of incidence and exit is not on the surface but in a virtual mirror point outside the surface.
  • the second dielectric approaches (distance from the RLK x g ), however, the position of this mirror point can be varied continuously in a distance range of 0- ⁇ / 2 away from the interface.
  • the distance .DELTA.l can be determined by measuring the transmission of the laser wave through the outer dielectric. By controlling to a fixed distance value, the frequency can be kept stable. If very high Stabilization accuracy is required, it is possible to pass part of the emerging wave into a miniaturized Fabry-Perot interferometer as a reference frequency standard and to measure its frequency position there and use the measurement signal thus obtained to re-tune the laser with the actuator.
  • an RLK basically measures rotary movements about the spatial axis that is perpendicular to the surface that is enclosed by the laser resonator. So that this measuring direction is well defined, the beam path should be spatially stabilized so that it runs in one plane. Since the laser material of the solid-state laser can now be produced not only as a flat square or rectangular disc, but also as a cube or cuboid, it is possible to use three completely independent lasers in three mutually perpendicular cutting planes of the cube (cuboid) simultaneously in one cube operate. The entire laser and measuring arrangements considered so far are designed for the excitation, decoupling and detection of the laser radiation in only one measuring plane.

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Abstract

The invention concerns a diode-pumped solid-state ring laser gyroscope consisting of a diode-pumped solid-state laser made from a doped crystal or glass in the form of a square or cube for monoaxial or triaxial mesurements; limitation and stabilisation of the laser mode is achieved by precise matching of the pumping radiation to the mode volume of the ring laser. Outcoupling of the laser radiation is done by making the light tunnel through a slit to a dielectric plate which is moved by an actuator. Frequency modulation of the signal is done as required by coupling an acoustic wave into the laser medium or by precise spatial modulation of the diode excitation.

Description

Diodengepumpter Festkörper-RinglaserkreiselDiode-pumped solid-state ring laser gyroscope
Die Erfindung bezieht sich auf einen diodengepumpten Festkörper- Ringlaserkreisel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a diode-pumped solid-state ring laser gyro according to the preamble of claim 1.
Eine heute weit verbereitete Methode zur Messung der Drehbewegung eines bewegten Gerätes - beispielsweise eines Fahrzeuges, Schiffes, Flugzeugs oder Satelliten - ist die Verwendung von Ring-Laser-Kreisel (RLK). Der Kreisel wird für die Steuerung und Stabilisierung der Bewegung, die Nordweisung sowie zur Kalibration von Beschleunigungssensoren in Trägheitsnavigationssystemen verwendet. Für die weiträumige Navigation im Flugzeug wird eine Langzeitstabilität von besser als 0,01°/h, für die Schiffsnavigation sogar 0,001 °/h, für Messungen in Kombination mit anderen Navigationsverfahren wie dem Global Positioning System (GPS) sowie fur kurzzeitige Messungen von Drehbewegungen im Fahrzeug, Flugkörper und Kampfflugzeug liegt die Forderung dagegen bei 10° h bis 100°/h. Der Meßbereich liegt üblicherweise zwischen 0-107s. Da der RLK aufgrund seines planaren Aufbaus grundsätzlich nur eine Drehachse erfaßt, werden für Messungen in alle Raumrichtungen drei Kreisel, die senkrecht zueinander stehen, benötigt.A method widely used today for measuring the rotational movement of a moving device - for example a vehicle, ship, aircraft or satellite - is the use of ring laser gyroscopes (RLK). The gyro is used for the control and stabilization of the movement, the north facing as well as for the calibration of acceleration sensors in inertial navigation systems. Long-term navigation on planes requires long-term stability of better than 0.01 ° / h, for ship navigation even 0.001 ° / h, for measurements in combination with other navigation methods such as the Global Positioning System (GPS) and for short-term measurements of rotary movements in The vehicle, missile and fighter aircraft, on the other hand, require 10 ° h to 100 ° / h. The measuring range is usually between 0-107s. Since the RLK basically only records one axis of rotation due to its planar structure, three gyros that are perpendicular to each other are required for measurements in all spatial directions.
Die physikalische Grundlage des Ring-Laser-Kreisels ist der Sagnac-Effekt, der den Einfluß einer Rotationsbewegung auf die Ausbreitung von Lichtwellen beschreibt. Wird eine Lichtwelle durch Spiegelreflexion oder in einem Lichtwellenleiter um 360° umgelenkt und wieder zur Überlagerung mit sich selbst gebracht, entstehen Ringwellen. Da beide Umlaufrichtungen gleichwertig sind, kann sowohl eine links- als auch eine rechtsumdrehende Ringwelle sich gleichzeitig ausbilden. Bei einer Drehung der wellenführenden Struktur erhöht sich die Frequenz der mitlaufenden und erniedrigt sich die Frequenz der entgegenlaufenden Welle. Speziell im RLK werden die gegenläufigen Wellen im Ring ständig optisch verstärkt. Gleichzeitig wird ein Teil der beiden Wellen aus dem Ring mit einem Teilerspiegel ausgekoppelt und auf einem Photodetektor zur Messung der DifFerenzfrequenz überlagert. Diese ist proportional zu der Drehrate Ω und proportional zu der von den Wellen umschlossenen Fläche A, aber umgekehrt proportional zu dem Lichtweg L und der Wellenlänge λ in dem verstärkendem Medium:The physical basis of the ring laser gyroscope is the Sagnac effect, which describes the influence of a rotational movement on the propagation of light waves. If a light wave is deflected through 360 ° by mirror reflection or in an optical waveguide and brought to overlay with itself again, ring waves are created. Since both directions of rotation are equivalent, both a left and a right-rotating ring shaft can be formed at the same time. With a rotation of the shaft-guiding structure, the frequency of the moving ones increases and the one decreases Frequency of the opposite wave. In the RLK in particular, the opposing waves in the ring are constantly optically amplified. At the same time, part of the two waves is coupled out of the ring with a divider mirror and superimposed on a photodetector for measuring the differential reference frequency. This is proportional to the rotation rate Ω and proportional to the area A enclosed by the waves, but inversely proportional to the light path L and the wavelength λ in the amplifying medium:
Δ v = 4 AΩ/L λ (1)Δ v = 4 AΩ / L λ (1)
Wird ein Laserstrahl der Wellenlänge λ = 0,63 μm entlang den Seiten eines Quadrates mit einer Seitenlänge von 4 cm umgelenkt, dann ist die durch die Erddrehung hervorgerufe Frequenzverschiebung (mit der Drehrate Ω = 157Std) Δv = 4,4 Hz. Eine Drehgeschwindigkeit von 500°/s, wie sie bei einer Rollbewegung eines Kampfflugzeuges entstehen kann, liefert als Kreiselsignal Δv = 400 kHz.If a laser beam of wavelength λ = 0.63 μm is deflected along the sides of a square with a side length of 4 cm, then the frequency shift caused by the earth's rotation (with the rotation rate Ω = 157h) is Δv = 4.4 Hz. A rotation speed of 500 ° / s, which can occur when a fighter plane rolls, provides a gyro signal Δv = 400 kHz.
Die auf dem Markt erhältlichen Laser-Kreisel verwenden HeNe-Gaslaser. Der Resonator wird entweder als gleichschenkliges Dreieck mit drei oder als Quadrat mit vier Umlenkspiegeln ausgelegt. Zwei Gasentladungsrohre entlang des Strahlenganges sorgen für die Laserverstärkung bei der Wellenlänge 0,633 μm oder 1,152 μm. Damit die Struktur möglichst mechanisch und thermisch stabil bleibt, ist der Laser meistens in einem Block aus einem Material mit extrem geringem Ausdehnungskoeffizienten integriert. Die Umlenkspiegel sind vakuumdicht an den Ecken angebracht. Die Bohrungen sind evakuiert und mit dem He-Ne-Gemisch auf einen Druck von wenigen Torr gefüllt. Zwischen zwei Elektroden wird die Gasentladung gezündet.The laser gyros available on the market use HeNe gas lasers. The resonator is designed either as an isosceles triangle with three or as a square with four deflecting mirrors. Two gas discharge tubes along the beam path ensure laser amplification at the wavelength of 0.633 μm or 1.152 μm. To ensure that the structure remains as mechanically and thermally stable as possible, the laser is usually integrated in a block made of a material with an extremely low expansion coefficient. The deflecting mirrors are vacuum-tight at the corners. The holes are evacuated and filled with the He-Ne mixture to a pressure of a few torr. The gas discharge is ignited between two electrodes.
Die Umlenkspiegel bilden den optischen Resonator. Wie bei einem longitudinalen Resonator sind einer oder zwei der Spiegel sphärisch gekrümmt, die übrigen plan. Eine Umlenkung um 60° (gleichschenkliges Dreieck) bzw. um 90° (Quadrat) in der Ebene an jedem Spiegel sorgt dafür, daß eine geschlossene Ringwelle entsteht; hierzu ist allerdings eine sehr genaue Ausrichtung der Spiegel wie beim linearen Resonator notwendig. Einer der Umlenkspiegel ist optisch teildurchlässig. Ein Teil der beiden Ringwellen wird ausgekoppelt und beide werden in einem speziellen Umlenkprisma auf einem Photodetektor -msammenge-f hrt, wo sie mit einer leichten Neigung der Wellen-fronten ein Interferenzstreifenmuster bilden. Der Sagnac-Efifekt, der bei einer Drehung des Kreisels entsteht, wird als Bewegung der Interferenzstreifen über seine empfindliche Fläche detektiert. An der Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen, die mit einer Doppelphotodiode detektiert wird, kann der Drehsinn des Kreisels eindeutig festgestellt werden.The deflection mirrors form the optical resonator. As with a longitudinal resonator, one or two of the mirrors are spherically curved, the rest are flat. A deflection of 60 ° (isosceles triangle) or 90 ° (square) in the plane at each mirror ensures that a closed ring wave is created; however, this requires a very precise alignment of the mirrors as with the linear resonator. One of the deflecting mirrors is optically partially transparent. Part of the two ring waves is decoupled and both are combined in a special deflection prism on a photodetector, where they form an interference fringe pattern with a slight inclination of the wave fronts. The Sagnac effect that occurs when the gyro is rotated is detected as the movement of the interference fringes across its sensitive surface. The direction of rotation of the gyro can be clearly determined on the direction of movement of the interference fringes, which is detected with a double photodiode.
Der Neigungswinkel der beiden Strahlen φ und die Größe der Photodetektorfläche drf wird so aufeinander angepaßt, daß der Durchmesser des Detektors in etwa dem Abstand zwischen zwei Interferenzmmima ά{ entspricht:The angle of inclination of the two beams φ and the size of the photodetector area drf are matched to one another in such a way that the diameter of the detector corresponds approximately to the distance between two interference minima ά {:
dd ~ d[ = λ 12 sin φ (2)dd ~ d [= λ 12 sin φ (2)
Die Aufgabe des Photodetektors ist es, die Anzahl der Intensitätsstreifen N, die mit dem Drehwinkel θ proportional ist, zu zählen, mitThe task of the photodetector is to count the number of intensity strips N, which is proportional to the angle of rotation θ, with
Damit das Interferenzmuster räumlich stabil bleibt, muß der Laser in einer transversalen Grundmode und gleichzeitig auf einer einzigen longitudinalen Mode des Resonators arbeiten. Die Grundmode und ihre räumliche Stabilisierung wird durch Begrenzung des Strahlenganges mit Blenden erzwungen. Der longitudinale Einmodenbetrieb entsteht automatisch bei einer sich ausbildenden geschlossenen Ringwellen.In order for the interference pattern to remain spatially stable, the laser must operate in a transverse fundamental mode and at the same time on a single longitudinal mode of the resonator. The basic mode and its spatial stabilization is forced by limiting the beam path with apertures. Longitudinal single-mode operation occurs automatically when a closed ring wave is formed.
Die absolute Lage der Laserfrequenz muß sehr stabil gehalten werden, damit keine Meßfehler aufgrund von Frequenzfluktuationen entstehen, die sich zwar für beide Ri gwellen gleich auswirken, aber insgesamt zum Rauschhintergrund beitragen. Dies wird durch Einstellung der Lage der Spiegel mit Piezo- Aktoren auf einen festen Frequenzwert durchgeführt. Fehlmessungen, die auftreten können, sind Bias-Fehler aufgrund ungleichmässiger Verstärkung der beiden gegenläufigen Ringwellen, eines Unterschiedes in dem Verlauf der beiden optischen Strahlengänge und Unsymmetrie im Ionentransport in der Gasentladung (Langmuir-Strömung).The absolute position of the laser frequency must be kept very stable so that no measurement errors arise due to frequency fluctuations, which have the same effect for both ri waves, but contribute to the overall noise background. This is done by setting the position of the mirrors with piezo actuators to a fixed frequency value. Incorrect measurements that can occur are bias errors due to uneven amplification of the two opposite ring waves, a difference in the course of the two optical beam paths and asymmetry in ion transport in the gas discharge (Langmuir flow).
Die bekannteste Störung in einem Ring-Laser-Kreisel ist das sogenannte "frequency-lock-in", durch optisches Übersprechen zwischen den gegenläufigen Ringwellen. Bei der Reflexion der Laserwellen an den mehrschichtigen dielektrischen Umlenkspiegeln entsteht ein geringer Anteil an Streulicht an der Oberfläche, der zum Teil in die entgegengesetzte Richtung im Strahlengang zurückgestreut wird. Dieses Streulicht wird vom Laserprozeß weiter verstärkt und konkurriert nun mit der zweiten Meß welle. Mit der sehr hohen Frequenz der Laserwellen, z.B. v = 4,7 x 1014 Hz bei λ = 0,63 μm, und einer Meßdifferenzfrequenz im Bereich Hz bis einige zehn kHz tritt das Phänomen des "frequency-lock-in" zweier Oszillatoren vergleichbarer Frequenz auf, was in der Elektronik allgemein bekannt ist. Die Ringwellen schieben sich auf eine gemeinsame Frequenz zu (injection locking) und die Differenzfrequenz, die eigentliche Meßfrequenz, verschwindet.The best known disturbance in a ring laser gyroscope is the so-called "frequency lock-in", due to optical crosstalk between the opposing ring waves. When the laser waves are reflected on the multilayer dielectric deflecting mirrors, a small amount of scattered light is generated on the surface, which is partly scattered back in the opposite direction in the beam path. This stray light is further amplified by the laser process and now competes with the second measuring wave. With the very high frequency of the laser waves, e.g. v = 4.7 x 1014 Hz at λ = 0.63 μm, and a differential measurement frequency in the range Hz to a few tens of kHz, the phenomenon of "frequency lock-in" occurs between two oscillators of comparable frequency, which is generally known in electronics . The ring waves move towards a common frequency (injection locking) and the difference frequency, the actual measuring frequency, disappears.
Da das „lock-in" erst im unteren Frequenzbereich passiert, kann dieses Problem durch künstliche Verschiebung der Differenzwellenlängen (d.h. gezieltes Biasing) in einen höheren Frequenzbereich vermindert bzw. unterbunden werden. In den auf den Markt befindlichen Geräten werden hierzu drei verschiedene Methoden angewandt. Die erste besteht darin, die gesamte RLK Struktur in Rotation mit einer festen Rotationsgeschwindigkeit zu versetzen (Fa. Raytheon, USA). In der zweiten wird die Struktur in eine periodische Schwingung gebracht (dithering, Fa. Honeywell, USA). Die dritte Methode (Fa. Northrop, USA) verwendet magneto-optische Umlenkspiegel. Unter Zuhilfenahme des transversalen Kerr Effektes in dünnen magnetischen Spiegelschichten der Umlenkspiegel wird durch Umschalten eines Magnetfeldes eine periodische Phasenverschiebung auf die umgelenkten Ringwellen ausgeübt.Since the "lock-in" only happens in the lower frequency range, this problem can be reduced or prevented by artificially shifting the differential wavelengths (ie targeted biasing) into a higher frequency range. Three different methods are used for this in the devices on the market. The first is to set the entire RLK structure in rotation at a fixed rotational speed (Raytheon, USA), in the second the structure is brought into a periodic oscillation (dithering, Honeywell, USA). The third method ( Northrop, USA) uses magneto-optical deflection mirrors With the help of the transverse Kerr effect in thin magnetic mirror layers of the deflection mirrors, a periodic phase shift is exerted on the deflected ring waves by switching over a magnetic field.
Grundsätzlich hat der RLK auf der Basis von Gaslasem folgende Nachteile:Basically, the RLK based on gas lasers has the following disadvantages:
• Miniaturisierung ist nur bis zu einem begrenztem Grad möglich, da eine gewisse Mindestverstärkungslänge benötigt wird • Die Laserstruktur ist mechanisch und thermisch empfindlich• Miniaturization is only possible to a limited extent, since a certain minimum gain length is required • The laser structure is mechanically and thermally sensitive
• Die Verwendung von Hochspannung zum Betrieb der Gasentladung ist nachteilig (Röhrentechnolgie)• The use of high voltage to operate the gas discharge is disadvantageous (tube technology)
Der gesamte Wirkungsgrad des Lasers ist mit <0,01 % sehr niedrig (thermische Belastung)The overall efficiency of the laser is very low at <0.01% (thermal load)
• Die Herstellung extrem streulichtarmer Spiegel zur Unterdrückung des „lock-in Effektes" ist kostspielig• The production of extremely low-scatter mirrors to suppress the "lock-in effect" is expensive
• Blenden zur Abgrenzung und Stabilisierung des Strahlenganges erzeugen Streulicht, was den „lock-in Effekt" fördert• Apertures to delimit and stabilize the beam path generate scattered light, which promotes the "lock-in effect"
• Drehung oder Schaukeln des RLK, um den „lock-in Effekt" bei der Messung zu umgehen, ist technisch aufwendig, teuer und erzeugt gegenseitige Störungen der Messungen in drei Achsen• Rotation or rocking of the RLK in order to avoid the "lock-in effect" during the measurement is technically complex, expensive and generates mutual interference of the measurements in three axes
• Das Aufheben von Unsymmetrien in dem Gastransport in der Entladungsröhre ist technisch nur sehr aufwendig zu bewerkstelligen• The removal of asymmetries in the gas transport in the discharge tube is technically very difficult to accomplish
• Das Magnetfeld zur Erzeugung des Kerr-Effektes in magneto-optischen Spiegeln induziert gleichzeitig eine störende Zeemann Linienaufspaltung der Laserlinie in der Gasentladung.• The magnetic field for generating the Kerr effect in magneto-optical mirrors simultaneously induces a disturbing Zeemann line splitting of the laser line in the gas discharge.
Der RLK mit dem HeNe-Laser ist trotz dieses hohen technischen Aufwandes als Bestandteil von Trägheitsplattformen in Flugzeugen und Schiffen sehr verbreitet. Bei wesentlich geringeren Anforderungen an die Winkelauflösung (> 10°/h), wie in Flugkörpern, für die Richtungssteuerung von Roboter und Automaten, wird in letzter Zeit der sogenannte passive Faser-Kreisel, wo der Sagnac-Effekt zur Phasenverschiebung gegenseitig umlaufender Lichtwellen in Glasfasern führt, zunehmend eingesetzt. Diese Technologie hat den großen Vorteil, daß Opto-Halbleiter mit geringer Frequenzgüte, langer Lebensdauer und geringer Kosten als Lichtquelle verwendet werden können. Nachteilig ist die thermische und mechanische Empfindlichkeit der relativ unhandlichen großen Faserspule, und die geringe erzielbare Winkelauflösung. Ferner sind monolithische Ringlaser seit längerer Zeit aus der Literatur bekannt (siehe z.B. T.J.Kane and R.L.Byer, "Monolithic, unidirectional single-mode Nd:YAG ring laser", Optics Letters, Vol. 10, No 2, p. 65 (1985) und werden bereits auf dem Markt von der Firma Lightwave in USA als besonders frequenzstabile Laserquellen (MISER) angeboten. Solche Laser sind ein Gegenstand intensiver Forschung, da sie einmodige sehr schmalbandige Strahlung für verschiedene Anwendungen bis in den Leistungsbereich nahe 1 W liefern können (siehe z.B. I. Freitag, P. Rottengatter, A. Tünnermann und H. Schmidt, "Frequenzabstimmbare diodengepumpte Miniatur-Ringlaser", Laser und Optoelektronik 25 (5) 1993. Entscheidend für die Anwendungen dieser Laser ist die Unterdrückung der zweiten Ringwelle, durch den Einbau einer optischen Dioden in den Strahlengang, z.B. mit der Hilfe des magneto¬ optischen Effektes.The RLK with the HeNe laser is very common as a component of inertial platforms in aircraft and ships, despite this high technical effort. With much lower requirements for the angular resolution (> 10 ° / h), such as in missiles, for the directional control of robots and automatons, the so-called passive fiber gyro has recently become the Sagnac effect for phase shifting mutually rotating light waves in glass fibers leads, increasingly used. This technology has the great advantage that opto-semiconductors with low frequency quality, long life and low costs can be used as light sources. Disadvantages are the thermal and mechanical sensitivity of the relatively bulky large fiber spool, and the low angular resolution that can be achieved. Furthermore, monolithic ring lasers have been known for some time from the literature (see, for example, TJKane and RLByer, "Monolithic, unidirectional single-mode Nd: YAG ring laser", Optics Letters, Vol. 10, No 2, p. 65 (1985) and Already offered on the market by Lightwave in the USA as a particularly frequency-stable laser source (MISER) Such lasers are the subject of intensive research because they can deliver single-mode, very narrow-band radiation for various applications down to the power range close to 1 W (see, for example, I. Freitag, P. Rottengatter, A. Tünnermann and H. Schmidt, "Frequency-Tunable Diode-Pumped Miniature Ring Lasers", Lasers and Optoelectronics 25 (5) 1993. Crucial for the use of these lasers is the suppression of the second ring wave by installing an optical diode into the beam path, for example with the help of the magneto-optical effect.
Trotz Fortschritte in der Satellitennavigation durch das GPS und der Markteinführung von neuen Verfahren zur Drehratenmessung, wie z.B. durch Messung der Einwirkung der Corioliskraft auf Stimmgabelschwingungen, besteht heute ein breiter Bedarf für das RLK als alternatives bzw. als zu GPS ergänzendes Meßverfahren, bei dem z.B. Unterbrechungszeiten im Kontakt mit dem Satelliten überbrückt werden müssen. Weitere Anwendungen sind die Messung von kurzzeitigen Drehbewegungen im Fahrzeug und Maschinen. Die Technik des Gaslaser-RLK ist zwar ausgereift, aber für die breite Anwendung in Zukunft technisch zu aufwendig. Sie sind in der Herstellung zu kostenintensiv und ihre Lebensdauer ist auf einige tausend Betriebsstunden begrenzt. Die kostengünstigen miniaturisierten Halbleiterlaser wären als Laserverstärker in offenen Rmglaser-Spiegelstrukturen denkbar, sind aber wegen der geringen Frequenzstabilität und schlechten Strahlqualität zur Realisierung eines hochwertigen RLK ungeeignet und für niedrigere Ansprüche zu teuer. Der Faserkreisel bietet aufgrund seiner schlechten Meßauflösung nur für bestimmte Anwendungen einen Ersatz und läßt sich prinzipiell nicht klein bauen.Despite advances in satellite navigation through GPS and the market launch of new gyro rate measurement methods such as by measuring the influence of the Coriolis force on tuning fork vibrations, there is a broad need for the RLK as an alternative or as a supplementary measurement method to GPS, in which e.g. Interruption times in contact with the satellite must be bridged. Other applications are the measurement of short-term rotary movements in the vehicle and machines. The technology of the gas laser RLK is mature, but technically too complex for the broad application in the future. They are too expensive to manufacture and their lifespan is limited to a few thousand hours of operation. The inexpensive miniaturized semiconductor lasers would be conceivable as laser amplifiers in open Rmglaser mirror structures, but because of the low frequency stability and poor beam quality they are unsuitable for realizing a high-quality RLK and are too expensive for lower demands. Due to its poor measurement resolution, the fiber gyroscope offers a replacement only for certain applications and, in principle, cannot be made small.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörper-Ringlaserkreisel zu konzipieren, der nicht nur in seinem mechanischen Aufbau vereinfacht und miniaturisiert ist, sondern auch keine beweglichen Teile mehr aufweist und gegenüber äußeren Störungen unempfindlich ist, ferner in der Meßauflösung und Meßgenauigkeit einem hochwertigen HeNe-RLK entspricht und eine gleichzeitige Drehratenmessung um alle Raumachsen in einem monolithischen Kreiselkörper erlaubt.The present invention has for its object to design a diode-pumped solid-state ring laser gyroscope that is not only simplified and miniaturized in its mechanical structure, but also has no moving parts and against external disturbances is insensitive, also corresponds to a high-quality HeNe-RLK in measurement resolution and measurement accuracy and allows simultaneous rotation rate measurement around all spatial axes in a monolithic gyroscope.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:This object is achieved by the measures indicated in claim 1. Refinements and developments are specified in the subclaims and exemplary embodiments are explained in the following description. The figures in the drawing supplement these explanations. Show it:
Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels mit Laserdioden als Anregungsquellen, einem Ringlaser-Kreiselkörper aus Festkörperlasermaterial und Auskoppelplatten mit Umlenkprisma.Fig. 1 is a schematic diagram of an embodiment with laser diodes as excitation sources, a ring laser gyroscope body made of solid-state laser material and coupling plates with deflection prism.
Fig. 2a eine Skizze bezüglich der angepaßten Fokussierung derFig. 2a shows a sketch of the adjusted focus of the
Pumpstrahlung in das Resonatormodenvolumen bei kurzer Absorptionslänge,Pump radiation into the resonator mode volume with a short absorption length,
Fig. 2b eine gekippte Anordnung gemäß Fig. 2a bei relativ großer Absorptionslänge,2b shows a tilted arrangement according to FIG. 2a with a relatively long absorption length,
Fig. 3 eine zu Fig. 2 analoge Anordnung, bei der die Pumplichtstrahlung jedoch über Glasfasern an die Resonatormode herangeführt wird,3 shows an arrangement analogous to FIG. 2, but in which the pump light radiation is brought to the resonator mode via glass fibers,
Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Ringlaserkreiselanordnung mitFig. 4 shows an embodiment of a ring laser gyro arrangement
Ultraschallwellenerzeuger zur Frequenzaufspaltung der gegensinnig umlaufenden Ringwellen,Ultrasonic wave generator for frequency splitting of the ring waves rotating in opposite directions,
Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer zur Auskopplung verwendeten dielektrischen Platte mit Aktuator zur Manipulation des Abstandes der Platte zur Resonatormode,5 shows an embodiment of a dielectric plate used for coupling with an actuator for manipulating the distance of the plate from the resonator mode,
Fig. 6 ein Schemabild zur Verdeutlichung des "Goos-Hähnchen-Shift",der zu einer Verschiebung der Strahllage bei Änderung des Abstandes der dielektrischen Platte führt, Fig. 7 ein spezielles Ausführungsbeispiel mit drei unabhängigen6 shows a schematic diagram to illustrate the "Goos chicken shift", which leads to a shift in the beam position when the distance of the dielectric plate changes, Fig. 7 shows a special embodiment with three independent
Ringlasern, die in drei aufeinander senkrechten Schnittebenen eines Würfels oder Quaders aufgebaut sind.Ring lasers, which are built in three mutually perpendicular cutting planes of a cube or cuboid.
Lampengepumpte Festkörperlaser sind bis jetzt nicht für die vorgeschlagene Anwendung in Betrachtgezogen worden, insbesondere wegen ihrer schlechten Strahlqualität und ihres instabilen Frequenzverhaltens. Durch die Anregung mit Diodenlasern und der damit verbundenen wesentlich verbesserten Effizienz und geringeren thermischen Belastung des Festkörperlasermaterials lassen sich kompakt aufgebaute Lasersysteme herstellen, die mit relativ geringem Aufwand eine Strahlqualität und Frequenzstabilität erreichen, die vergleichbar oder sogar besser als bei Gaslasern ist. Darüberhinaus bietet der diodengpumpte Festkörperlaser für die Realisierung von miniaturisierten RLK gegenüber dem Gaslaser die Vorteile der hohen Verstärkung in geringem Material volumen und des geringeren Frequenz- und Amplitudenrauschens.Lamp-pumped solid-state lasers have so far not been considered for the proposed application, particularly because of their poor beam quality and unstable frequency response. Excitation with diode lasers and the associated significantly improved efficiency and lower thermal load on the solid-state laser material make it possible to produce compactly designed laser systems that achieve beam quality and frequency stability that are comparable or even better than with gas lasers with relatively little effort. In addition, the diode-pumped solid-state laser for the realization of miniaturized RLK compared to the gas laser offers the advantages of high amplification in a small material volume and lower frequency and amplitude noise.
Besonders geeignet sind hierfür diodengepumpte Festkörperlaser der laserfahigen Ionen der Seltenerden, mit denen verschiedene Wirtskristalle und - Gläser dotiert werden. Als bekanntester Laser dieser Art ist der Nd: YAG- Laser mit der Emissionswellenlänge 1 ,06 μm, der mit GaAlAs Laserdioden mit der Wellenlänge λ = 0,81 μm angeregt wird. Das Neodym kann als laseraktives Ion auch in andere Wirtskristalle und Gläser eingebaut werden. Weitere laserfahige Ionen der Seltenerden sind z.B. Erbium, Holmium, Thulium und Praseodym, die auf Grund ihrer verschiedenen Energieübergänge dann auch weitere Emissionswellenlängen zur Verfügung stellen. Von Interesse sind hier insbesondere die Wellenlänge des Nd-Ions 1,32 μm und die Wellenlänge des Er-Ions 1,54 μm. Diese Wellenlängen decken sich mit den meistverwendeten Wellenlängen der Faserkommunikation und ermöglichen bei der Realisierung des RLK damit gleichzeitig die Verwendung der billigen Komponenten der Telekommunikationsindustrie. Grundsätzlich kann der RLK außer mit den Seltenerdenionen-Lasern auch mit anderen Arten von Festkörperlasern wie Cr-Laser, Ti-Saphir auch realisiert werden.Diode-pumped solid-state lasers of the laser-capable ions of the rare earths, with which various host crystals and glasses are doped, are particularly suitable. The best known laser of this type is the Nd: YAG laser with the emission wavelength 1.06 μm, which is excited with GaAlAs laser diodes with the wavelength λ = 0.81 μm. As a laser-active ion, the neodymium can also be incorporated into other host crystals and glasses. Other laser-capable ions of the rare earths are e.g. Erbium, holmium, thulium and praseodymium, which then also provide other emission wavelengths due to their different energy transitions. Of particular interest here are the wavelength of the Nd ion of 1.32 μm and the wavelength of the Er ion of 1.54 μm. These wavelengths coincide with the most commonly used wavelengths in fiber communication and, at the same time, enable the cheap components of the telecommunications industry to be used when implementing the RLK. In principle, the RLK can also be implemented with other types of solid-state lasers such as Cr lasers and Ti sapphire in addition to the rare earth ion lasers.
Der Gegenstand der Erfindung, nämlich die Verwendung des Sagnac Effektes von zwei gegenläufigen Ringwellen eines monolithischen Festkörper- Ringlasers als Kreisel wird hier erstmals vorgeschlagen. Sie beruht auf der Verwendung des Festköφers gleichzeitig als Lichtweg für die Ringwellen und als ihr Verstärkungsmedium. Damit kann ein mechanisch und thermisch sehr stabiler Kreiselgrundköφer realisiert werden, in dem durch Ausnutzung der Totalreflexion an den Grenzflächen zur SfraUumlenkung das störende "Spiegel-Streulicht" minimiert wird. Die Strahlung der Anregungsquelle wird durch die Grenzfläche des Grundköφers in den Laserstrahlengang abgebildet und erlaubt so eine weitgehende mechanische und thermische Entkoppelung beider Systeme.The object of the invention, namely the use of the Sagnac effect of two counter-rotating ring waves of a monolithic solid-state ring laser as a gyro is proposed here for the first time. It is based on the Use of the Festköφers simultaneously as a light path for the ring waves and as their amplification medium. A mechanically and thermally very stable gyro base body can thus be realized, in which by using the total reflection at the interfaces to the deflection of the mirror, the disturbing "mirror scattered light" is minimized. The radiation from the excitation source is imaged through the boundary surface of the basic body in the laser beam path and thus allows a large mechanical and thermal decoupling of both systems.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird in einem Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, den Laser als eine quadratischen Scheibe aufzubauen. Seine typische Größe, mit heutigen Fertigungsmitteln leicht realisierbar, wäre z.B. eine Seitenlänge von 1 cm und eine Höhe von 3 mm. Im Nd:YAG-Material mit dem Brechungsindex n = 1,823 beträgt der Grenzwinkel der Totalreflektion θ = 33,3° und im Nd: Glas mit n = 1,57, θ = 39,7° oder ausreichend kleiner als der Umlenkwinkel 45° der Laserstrahlen an den Grenzflächen innerhalb des Quadrates.As shown in FIG. 1, it is proposed in one exemplary embodiment to construct the laser as a square disk. Its typical size, easily achievable with today's production equipment, would be e.g. a side length of 1 cm and a height of 3 mm. In the Nd: YAG material with the refractive index n = 1.823, the critical angle of total reflection is θ = 33.3 ° and in the Nd: glass with n = 1.57, θ = 39.7 ° or sufficiently smaller than the deflection angle 45 ° Laser beams at the interfaces within the square.
In einigen Fällen ist es vorteilhaft, anstatt eines Quadrates eine rechteckige Scheibe mit unterschiedlicher Seitenlänge zu verwenden. Hier ändert sich der Einfallswinkel je nach Längenunterschied der Seiten. Hier darf der Winkel dann nicht den Grenzwinkel der Totalreflexion unterschreiten.In some cases it is advantageous to use a rectangular disc with a different side length instead of a square. Here the angle of incidence changes depending on the difference in length of the sides. Here, the angle must not be less than the critical angle of total reflection.
Zur Erfassung der Drehung um alle drei Raumachsen muß der Lasergrundköφer als ein Würfel oder Quader gestaltet sein, bei dem drei voneinander unabhängige Ringlaser in drei aufeinander senkrechten Schnittebenen des Würfels oder des Quaders aufgebaut sind, wie später dargelegt wird. Grundsätzlich gelten aber für den Würfel gleiche Aufbauweisen wie für Laser in quadratischen Scheiben.To detect the rotation around all three spatial axes, the laser base body must be designed as a cube or cuboid, in which three mutually independent ring lasers are constructed in three mutually perpendicular sectional planes of the cube or cuboid, as will be explained later. Basically, however, the same construction methods apply to the cube as to lasers in square slices.
Durch die Ausnutzung der Totalreflexion der Grenzfläche zur Umlenkung des Laserstrahles wird eine erhebliche Reduktion von Streulicht gegenüber den externen dielektrischen Spiegeln eines HeNe-RLK erreicht. Mit einer Standard-Politur der Oberfläche kann der Streulichtanteil auf ein verschwindend geringes Maß unterdrückt werden, unter der Voraussetzung, daß die Oberfläche auch sehr sauber bleibt. In dem Strahlengang durch den Wirtskristall kann unter Umständen Streulicht enstehen. Mögliche Quellen solcher Volumenstreuung sind optische Inhomogenitäten, wie Konzentrationsschwankungen der Dotierung, Variationen in dem Kristallwachstum, Kristallfehler, Mikrorisse, eingeschlossene Gasblasen und Dichteschwankungen durch mechanische und thermische Spannungen. Aus diesen Gründen ist eine besondere Sorgfalt in der Auswahl des Lasermaterials, in der Auslegung der Dotierungskonzentration und in der Ziehung und Bearbeitung des Materials notwendig.By using the total reflection of the interface to deflect the laser beam, a considerable reduction in stray light compared to the external dielectric mirrors of a HeNe-RLK is achieved. With a standard polish on the surface, the amount of stray light can be suppressed to a negligible level, provided that the surface remains very clean. Scattered light may arise in the beam path through the host crystal. Possible sources of such volume scatter are optical inhomogeneities, such as concentration fluctuations in the doping, variations in crystal growth, crystal defects, microcracks, enclosed gas bubbles and density fluctuations due to mechanical and thermal stresses. For these reasons, special care must be taken in the selection of the laser material, in the design of the doping concentration and in the drawing and processing of the material.
Um eine stabile Mode in einem Ringlaser zu erzeugen, müssen einer oder zwei der Umlenkspiegel gekrümmt sein. Aus Symmetrie- und Fertigungsgründen ist es sinnvoll, an zwei sich gegenüberliegenden Seiten eine Kriimmung anzuschleifen. Zur Unterdrückung aller höheren Moden außer der Grundmode, und um gleichzeitig die Lage der Grundmode zeitlich stabil zu halten, ist eine weitere Abgrenzung des Strahlweges erforderlich. Eine stabile longitudinale Mode, d.h. eine Mode im Frequenzraum, stellt sich bei der Ausbildung einer Ringwelle dann automatisch ein.In order to create a stable mode in a ring laser, one or two of the deflecting mirrors must be curved. For reasons of symmetry and manufacturing, it makes sense to grind a bend on two opposite sides. In order to suppress all higher modes except the basic mode and to keep the position of the basic mode stable over time, a further delimitation of the beam path is necessary. A stable longitudinal mode, i.e. a mode in the frequency domain is automatically set when a ring wave is formed.
Zur Modenselektion schlägt die Erfindung hier eine Methode der Modenfilterung und -Stabilisierung vor, die gegenüber der Verwendung von Blenden wie beim HeNe-RLK, die eine Dämpfung durch Lichtbeugung hervorrufen, den großen Vorteil hat, das Entstehen des störenden Streulichts der Blenden zu vermeiden. Diese Methode, die im Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dargestellt ist, besteht darin das Volumen der Anregung durch das Pumplicht so gut an das Modenvolumen der Grundmode des Ringlasers räumlich anzupassen, daß nur diese eine Mode in dem Lasermedium verstärkt wird. Dies ist möglich, da die Größe der Anregungsquelle, die entweder als Emissionsfläche der Diode oder ihr Glasfaserende sein kann, optimal an die Größe der Lasermode angepaßt werden kann. Mit einem Durchmesser der Fläche oder der Faser unter 100 μm und mit einer entsprechenden Abbildungsoptik kann das Licht auf definierte Bereiche des Modenvolumens von 100-200 μm Durchmesser mit einer Genauigkeit im μm-Bereich, abgebildet werden. Je nach Absoφtionslänge des Lasermediums für die Pumpwellenlänge muß die Pumpstrahlung kollinear zur Resonatormode in das Lasermaterial fokussiert werden (Fig. 2b). Bei einer hinreichend kurzen Absoφtionslänge reicht es hingegen, wenn das Pumplicht in den Reflexionsbereich der Mode fokussiert wird. Die Pumplichtstrahlung kann direkt von der Lasrediode in das Lasermaterial fokussiert werden, eine flexiblere Bauweise erreicht man jedoch, indem das Pumplicht zunächst in Glasfasern eingekoppelt und dann an den Ringlaserkreisel herangeführt wird (Fig. 3).For mode selection, the invention proposes a method of mode filtering and stabilization, which has the great advantage over the use of diaphragms as in the HeNe-RLK, which cause attenuation by light diffraction, to avoid the formation of the disturbing scattered light of the diaphragms. This method, which is shown in the exemplary embodiment in FIG. 2, consists in spatially adapting the volume of the excitation by the pump light so well to the mode volume of the basic mode of the ring laser that only this one mode is amplified in the laser medium. This is possible because the size of the excitation source, which can either be the emission surface of the diode or its glass fiber end, can be optimally adapted to the size of the laser mode. With a diameter of the surface or the fiber below 100 μm and with a corresponding imaging optics, the light can be imaged on defined areas of the mode volume of 100-200 μm diameter with an accuracy in the μm range. Depending on the absorption length of the laser medium for the pump wavelength, the pump radiation must be collinearly focused to the resonator mode in the laser material (FIG. 2b). With a sufficiently short absorption length, on the other hand, it is sufficient if the pump light in the Reflection area of fashion is focused. The pump light radiation can be focused directly from the laser diode into the laser material, but a more flexible design can be achieved by first coupling the pump light into glass fibers and then introducing it to the ring laser gyroscope (Fig. 3).
Was die Strahlverlaufsregelung betrifft, schlägt die Erfindung vor, wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt ist, durch Verwendung von mehreren benachbarten Anregungsquellen (Dioden oder Fasern), die individuell angesteuert werden, den Strahl räumlich auf einen optimalen Verlauf durch den Kristall zu justieren. Die benachbarten Lichtquellen (zwei oder drei) werden durch Abbildung in den Bereich des Modenvolumen zu einer teilweisen Überlagerung gebracht. Mit einer individuellen Ansteuerung der Dioden ist es dann möglich, die Intensitätsverteilung in dem Überlagerungsbereich zu variieren. Durch eine gleichzeitige Messung der Ausgangsleistung bzw. des Strahlverlaufs und der Verwendung dieses Signals als Regelsignal kann somit der Verlauf der Grundmode innerhalb des Stabilitätsbereichs des Ringresonators gesteuert und der Laser auf optimale Betriebsbedingungen gebracht werden. Eine solche Strahlverlaufsregelung ist auch in dem Aufbau mit getrennten Anregungsbereichen wie in Fig. 3 möglich. Hier müßten die Anregungsbereiche dann gegenüber der optimalen optischen Achse der Ringwelle leicht versetzt werden. Mit zwei Laserdiodenpaaren, die senkrecht aufeinander gestellt sind, ist diese Strahlsteuerung auch in zwei Achsen möglich. Eine Anwendung dieses Verfahren gleichzeitig an mehreren Seiten des Kreisels bringt weitere Vorteile.As far as the beam path control is concerned, the invention proposes, as shown in the exemplary embodiment in FIG. 3, by using several adjacent excitation sources (diodes or fibers), which are individually controlled, to spatially adjust the beam to an optimal path through the crystal . The neighboring light sources (two or three) are brought to a partial overlay by imaging in the area of the mode volume. With individual control of the diodes, it is then possible to vary the intensity distribution in the overlapping area. By simultaneously measuring the output power or the beam profile and using this signal as a control signal, the profile of the basic mode can thus be controlled within the stability range of the ring resonator and the laser can be brought to optimal operating conditions. Such a beam path control is also possible in the structure with separate excitation areas as in FIG. 3. Here the excitation areas would then have to be slightly offset with respect to the optimal optical axis of the ring wave. With two pairs of laser diodes that are positioned perpendicular to each other, this beam control is also possible in two axes. Using this method on several sides of the gyro at the same time brings further advantages.
Zur Verschiebung der Meßfrequenz ist anzuführen, daß mit einer Steuerung des Strahlenverlaufs gleichzeitig an mehreren Seiten des Kreiselköφers es auch möglich ist, die Ringwelle kurze Zeit um kleine Winkel in Drehbewegung zu versetzen. Dies kann z.B. durch eine periodische, asynchrone Ansteuerimg der Dioden an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kreisels durchgeführt werden. Bei dieser einseitigen Drehung, die z.B mit 10 μm Versetzung und einer Seitenlänge des Kreisels von 1cm den Winkel 0,12° beträgt, wird auch der Sagnac-Effekt wirksam. Die Erfindung schlägt deshalb vor, ähnlich wie bei den magneto-optischen Spiegeln im He-Ne-Kreisel, diesen Effekt zu verwenden um den Frequenzmeßbereich des Kreisels außerhalb des „lock-in Bereiches" zu versetzen. Mit einer Modulationsfrequenz von z.B. 1 kHz beträgt die maximale Drehrate dann 120°/sek was für alle praktischen Fälle vollkommen ausreichend wäre. Die entsprechende Frequenzverschiebung wäre nach Gleichung (1) bei der Wellenlänge λ = 1 μm dann 20 kHz.For shifting the measuring frequency, it should be stated that by controlling the beam path simultaneously on several sides of the gyro body, it is also possible to set the ring shaft in rotation for a short time by small angles. This can be done, for example, by periodic, asynchronous control of the diodes on two opposite sides of the gyro. With this one-sided rotation, which amounts to an angle of 0.12 °, for example with a 10 μm offset and a side length of the gyro of 1 cm, the Sagnac effect also takes effect. The invention therefore proposes, similarly to the magneto-optical mirrors in the He-Ne gyro, to use this effect around the frequency measurement range of the gyro outside of the “lock-in” With a modulation frequency of 1 kHz, for example, the maximum rotation rate is then 120 ° / sec, which would be completely sufficient for all practical cases. The corresponding frequency shift would then be 20 kHz according to equation (1) at the wavelength λ = 1 μm.
Durch den Festköφer als strahlführendes Medium eröffnen sich aber weitere Wege zur einseitigen Frequenzverschiebung der einen Ringwelle gegen die andere, nämlich durch die Ausnutzung der Dopplerverschiebung der Lichtwelle an einer akustischen Welle, die durch das Medium sich ausbreitet. Die Erfindung schlägt vor, wie in Fig. 4 dargestellt ist, eine Schallwelle von einem externen Schallgenerator als eine Wanderwelle in den Kristall so hineinzuleiten, daß die gegenläufigen Ringwellen unterschiedliche Dopplerverschiebung erfahren. Dies kann durch eine geeignete Wahl des Einfallswinkels der Schallwelle auf das Kreiselmedium bewerkstelligt werden. Da mit einer typischen Schallgeschwindigkeit von 3-6 km/sek in Gläsern die Dopplerverschiebung beim senkrechten Aufprall des Lichtes auf die Schallwellenfront in dem sehr hohen Frequenzbereich von 3-6 GHz liegen würde, empfiehlt es sich, die Schallwelle nur mit einem sehr kleinen Winkel in der Größenordnung von einigen Grad quer zu der Ringwelle des Kreisels durch den Festköφer zu leiten. Die Differenz der Dopplerverschiebung an den beiden Ringwellen ist dann im Bereich von 10-100 MHz, was die spätere Signalverarbeitung erleichtert. Damit Störungen aufgrund von Reflektionen und Beugung der Schallwelle unterbunden werden, empfiehlt es sich weiter, einen Schallabsorber mit in das Festköφermaterial, wie in Fig. 4 angedeutet, zu integrieren. Auf diese Weise kann der bekannte Effekt des frequency-lock-in unter Verwendung eines Festköφer-Lasermaterials umgangen werden.The Festköφer as a beam-guiding medium opens up further paths for one-sided frequency shifting of one ring wave against the other, namely by utilizing the Doppler shift of the light wave on an acoustic wave that propagates through the medium. The invention proposes, as shown in FIG. 4, to introduce a sound wave from an external sound generator into the crystal as a traveling wave in such a way that the opposing ring waves experience different Doppler shifts. This can be accomplished by a suitable choice of the angle of incidence of the sound wave on the gyro medium. Since with a typical speed of sound of 3-6 km / sec in glasses, the Doppler shift in the case of vertical impact of the light on the sound wave front would be in the very high frequency range of 3-6 GHz, it is advisable to move the sound wave only at a very small angle of the order of a few degrees across the ring wave of the gyro through the solid body. The difference in the Doppler shift on the two ring waves is then in the range of 10-100 MHz, which facilitates later signal processing. In order that interference due to reflections and diffraction of the sound wave are prevented, it is further recommended to integrate a sound absorber into the solid body material, as indicated in FIG. 4. In this way, the known effect of frequency lock-in can be circumvented using a solid-state laser material.
Für die Auskoppelung der Meßwelle aus dem RLK wird vorgeschlagen, ein definiertes optisches Übersprechen zu einer dielektrischen Platte, die sehr nahe an die reflektierende Fläche herangebracht wird, zu verwenden. Bekanntlich wird bei Totalreflexion von Licht an Grenzflächen, z.B. Glas gegen Luft oder Glas gegen Glas in Lichtleitern, die Welle nicht vollständig an der geometrischen Grenzfläche wegreflektiert, sondern die Welle tunnelt aus der Oberfläche heraus, bevor sie wieder in das Medium ohne Verluste zurückkehrt. Wird eine dielektrische Platte an die Grenzfläche auf einen Abstand von Bruchteilen der Wellenlänge genähert, dann dringt ein Teil der Welle in dieses Dielektrikum hinein und wird dort weiter als Lichtstrahl geleitet. Die Intensität der durchgehenden Welle ist abhängig von Einfallswinkel der Welle auf die Grenzfläche und Luftspalt. Durch eine Variation des Abstandes im Bereich λ/2 bis 0 kann die Welle von totaler Reflexion bis zu vollständiger Transmission moduliert werden. Dieser Effekt ist zur Auskoppelung von Lichtwellen in Festköφerlasern angewandt worden (siehe S. Schiller, I.I. Yu, M. M. Fejer and R.L. Byer, "Fused-silica monolithic total-internal-reflection resonator", Optics Letters Vol 17, No 5, p.378 (1992), wurde aber für die Auskoppelung der Meßwelle aus einem Laserkreisel bis jetzt nicht angewandt.For the decoupling of the measuring wave from the RLK, it is proposed to use a defined optical crosstalk to a dielectric plate which is brought very close to the reflecting surface. It is known that when light is totally reflected at interfaces, e.g. glass against air or glass against glass in light guides, the wave is not completely reflected at the geometric interface, but the wave tunnels out of the surface before it returns to the medium without losses. When a dielectric plate is approached to the interface a fraction of a wavelength apart, part of the wave penetrates into it Dielectric into it and is passed there as a light beam. The intensity of the continuous wave depends on the angle of incidence of the wave on the interface and the air gap. By varying the distance in the range λ / 2 to 0, the wave can be modulated from total reflection to complete transmission. This effect has been used to decouple light waves in solid-state lasers (see S. Schiller, II Yu, MM Fejer and RL Byer, "Fused-silica monolithic total-internal-reflection resonator", Optics Letters Vol 17, No 5, p.378 (1992), but has so far not been used for decoupling the measuring shaft from a laser gyroscope.
Die Erfindung sieht - wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 dargestellt ist - vor, daß die dielektrische Auskoppelplatte mit einem Mikroaktuator - beispielsweise einem piezo- oder elektrostatischen Element - auf den erforderlichen Abstand zu der Kreiseloberfläche gebracht wird, der dem gewünschten Transmissionswert entspricht. Da die Transmission elektronisch gesteuert werden kann, schlägt die Erfindung vor, daß durch die Messung der ausgekoppelten Leistung mit einer Photodiode der Abstand auf einen festen Wert geregelt wird. Durch die Manipulation des Abstandes der Platte zur Resonatormode ist die Möglichkeit geschaffen, die Intensität der ausgekoppelten Leistung und auch ggf. die Strahllage zu beeinflussen.The invention - as shown in the embodiment in Fig. 5 - provides that the dielectric coupling plate with a microactuator - for example a piezo or electrostatic element - is brought to the required distance from the gyro surface, which corresponds to the desired transmission value. Since the transmission can be controlled electronically, the invention proposes that the distance be regulated to a fixed value by measuring the output power with a photodiode. By manipulating the distance between the plate and the resonator mode, it is possible to influence the intensity of the output power and possibly also the beam position.
Diese Methode der Auskoppelung kann gleichzeitig an mehreren Seiten des Kreisels durchgeführt werden. Die Erfindung sieht vor, daß die Auskoppelung z.B. gleichzeitig an zwei gegenüberliegenden Seiten durchgeführt wird, und an beiden Seiten eine Vorrichtung zur Messung des Sagnac Effektes installiert ist. Die gleichzeitige Messung an zwei Meßsstellen am Laserkreisel eröffnet die Möglichkeit, auf die Meßsignale verschiedene elektronische Korrelationsverfahren anzuwenden. Mit solchen Korrelationsverfahren können auch bei starkem Rauschhintergrund zuverlässige Messungen gemacht werden. Auch können systematische Meßanormalien im Kreisel, bedingt durch seinen Aufbau oder Betrieb, damit aufgehoben werden. Die Möglichkeit der elektronischen Modulation der Transmission kann z.B. dazu verwendet werden, die Auskoppelung an beiden Meßstationen synchron oder asynchron mit verschiedenen Frequenzen durchzuführen. Zur Überlagerung der beiden Ringwellen auf dem Photodetektor sieht die Erfindung die von anderen Laserkreiseln bewährte Methode der Umlenkung der einen Welle in einem Eckspiegel vor, der auch dafür sorgt,daß die Achsen der beiden Ringwellen zur Erzeugung der Interferenzstreifen mit einem Winkel φ nach Formel (2) auf dem Photodetektor auftreffen..This method of decoupling can be carried out simultaneously on several sides of the gyro. The invention provides that the decoupling is carried out, for example, simultaneously on two opposite sides, and a device for measuring the Sagnac effect is installed on both sides. The simultaneous measurement at two measuring points on the laser gyro opens up the possibility of applying different electronic correlation methods to the measuring signals. With such correlation methods, reliable measurements can be made even with a strong background of noise. Systematic measurement anomalies in the gyroscope, due to its structure or operation, can also be eliminated. The possibility of electronic modulation of the transmission can be used, for example, to carry out the decoupling at both measuring stations synchronously or asynchronously with different frequencies. To superimpose the two ring waves on the photodetector, the invention provides the method of deflecting the one wave in a corner mirror, which has been proven by other laser gyros, and which also ensures that the axes of the two ring waves generate an interference strip with an angle φ according to formula (2 ) hit the photodetector ..
Die Erfindung schlägt weiterhin vor, die Einstellung der Frequenz des Festköφer RLK mit einer hierfür neuen Methode durchzuführen, die auf dem Tunneln der Lichtwelle zu einem zweiten nahen Dielektrikum beruht. Der Effekt, der hier ausgenutzt wird, ist die sogenannte Goos-Hänchen- Verschiebung 2zg der Welle an der Grenzfläche, wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 dargestellt ist. Beim Heraustreten der Welle aus dem Dielektrikum ist der Schnittpunkt der Einfalls- und Austrittsachse nicht an der Oberfläche, sondern in einem virtuellen Spiegelpunkt außerhalb der Fläche. Bei der Annäherung des zweiten Dielektrikum (Abstand vom RLK xg) kann aber die Lage dieses Spiegelpunktes in einem Abstandsbereich von 0-λ/2 von der Grenzfläche weg kontinuierlich variiert werden. In einem RLK führt diese Abstandsänderung, durchgeführt an einem oder mehreren Grenzflächen, zu Änderungen des Durchmessers und der Winkellage der Welle, was unweigerlich Frequenzänderungen zur Folge hat. Da dieser Effekt sich auf die beiden Ringwellen in gleicher Richtung auswirkt, handelt es sich nicht um ein Auftreten einer Differenzfrequenz wie beim Sagnac-Effekt, sondern um eine gemeinsame Frequenzverschiebung Δv, die von der Längenverschiebung Δl wie folgt abhängt:The invention further proposes to carry out the adjustment of the frequency of the solid body RLK using a method which is new for this and which is based on the tunneling of the light wave to a second near dielectric. The effect that is used here is the so-called Goos-Hänchen displacement 2z g of the wave at the interface, as shown in the exemplary embodiment in FIG. 6. When the wave emerges from the dielectric, the point of intersection of the axis of incidence and exit is not on the surface but in a virtual mirror point outside the surface. When the second dielectric approaches (distance from the RLK x g ), however, the position of this mirror point can be varied continuously in a distance range of 0-λ / 2 away from the interface. In an RLK, this change in distance, carried out at one or more interfaces, leads to changes in the diameter and the angular position of the shaft, which inevitably leads to changes in frequency. Since this effect affects the two ring waves in the same direction, it is not a case of a difference frequency as in the Sagnac effect, but a common frequency shift Δv, which depends on the length shift Δl as follows:
Δv = Δl v/1 (4)Δv = Δl v / 1 (4)
Mit v = 3*lθl4 Hz bei λ = lμm und 1 = 4 cm bei 1 cm Seitenlänge des Kreisels beträgt der mögliche Durchstimmbereich der Frequenz mit Δl = 1 μm, Δv = l,3«lθlO oder l3 GHz.With v = 3 * lθl4 Hz at λ = lμm and 1 = 4 cm at 1 cm side length of the gyro, the possible tuning range of the frequency with Δl = 1 μm, Δv = l, 3 «lθlO or l3 GHz.
Dieser Effekt kann in vielfacher Weise zur Änderung und Einstellung der Frequenz des Festköφerlaserkreisels verwendet werden. Durch Messung der Transmission der Laserwelle durch das äußere Dielektrikum kann der Abstand Δl bestimmt werden. Durch Regelung auf einen festen Abstandswert kann damit die Frequenz stabil gehalten werden. Wenn sehr hohe Stabilisierungsgenauigkeit gefordert wird, besteht die Möglichkeit,einen Teil der austretenden Welle in ein miniaturisiertes Fabry-Perot-Interferometer als Vergleichsfrequenznormal zu leiten und ihre Frequenzlage dort zu vermessen und mit dem so gewonnenen Meßsignal den Laser mit dem Aktor nachzustimmen.This effect can be used in many ways to change and adjust the frequency of the solid-state laser gyro. The distance .DELTA.l can be determined by measuring the transmission of the laser wave through the outer dielectric. By controlling to a fixed distance value, the frequency can be kept stable. If very high Stabilization accuracy is required, it is possible to pass part of the emerging wave into a miniaturized Fabry-Perot interferometer as a reference frequency standard and to measure its frequency position there and use the measurement signal thus obtained to re-tune the laser with the actuator.
Sollten nun gleichzeitige Messungen um mehrere Koordinationsachsen durchgeführt werden, wird davon ausgegangen, daß grundsätzlich ein RLK Drehbewegungen um die Raumachse, die senkrecht auf der Fläche steht, die von dem Laserresonator umschlossen wird, mißt. Damit diese Meßrichtung wohldefiniert ist, sollte der Strahlengang räumlich so stabilisiert werden, daß er in einer Ebene verläuft. Da nun das Lasermaterial des Festköφerlasers nicht nur als eine flache quadratische bzw. rechteckige Scheibe, sondern auch als Würfel oder Quader hergestellt werden kann, ist es möglich, in einem Würfel drei vollkommen unabhängige Laser in drei aufeinander senkrechten Schnittebenen des Würfels (Quaders) gleichzeitig zu betreiben. Die gesamten bisher betrachteten Laser- und Meßanordnungen sind für die Anregung, Auskoppelung und Detektion der Laserstrahlung in nur einer Meßebene ausgelegt. Sie können aber alle in drei senkrecht aufeinanderstellenden Schnittebenen des Laserwürfels ohne gegenseitige Störung aufgebaut werden. Aufgrund der niedrigen optischen Leistungen der Pumpdioden und der Meßlaser ist ein Übersprechen durch optische Streuung und thermische Beeinflussung zwischen den Meßebenen vernachlässigbar.If simultaneous measurements are now carried out about several coordination axes, it is assumed that an RLK basically measures rotary movements about the spatial axis that is perpendicular to the surface that is enclosed by the laser resonator. So that this measuring direction is well defined, the beam path should be spatially stabilized so that it runs in one plane. Since the laser material of the solid-state laser can now be produced not only as a flat square or rectangular disc, but also as a cube or cuboid, it is possible to use three completely independent lasers in three mutually perpendicular cutting planes of the cube (cuboid) simultaneously in one cube operate. The entire laser and measuring arrangements considered so far are designed for the excitation, decoupling and detection of the laser radiation in only one measuring plane. However, they can all be built up in three mutually perpendicular cutting planes of the laser cube without mutual interference. Because of the low optical powers of the pump diodes and the measuring lasers, crosstalk due to optical scattering and thermal influences between the measuring planes is negligible.
Damit die Umlenkpunkte der Totalreflexion in den verschiedenen Schnittebenen an den Seiten des Würfels (Quaders) getrennt sind und dadurch ein getrennter Aufbau von Anregungsdioden und Auskoppelvorrichtungen der verschiedenen Ringlaser möglich wird, empfiehlt es sich die Schnittebenen so zu wählen, daß sie nicht alle durch den Mittelpunkt des Würfels (Quaders) laufen, sondern mindestens zwei von der Mitte abgesetzt verlaufen, wie in Fig. 7 dargestellt ist, was für die Messung unbedeutend ist.So that the deflection points of the total reflection in the different cutting planes on the sides of the cube (cuboid) are separated and thus separate construction of excitation diodes and coupling devices of the different ring lasers is possible, it is advisable to choose the cutting planes so that they do not all pass through the center of the cube (cuboid), but at least two run away from the center, as shown in Fig. 7, which is insignificant for the measurement.
Mit den unabhängigen drei Ringlasern in den zueinander senkrechten Meßebenen können Drehungen des Kreisels gleichzeitig um alle Raumachsen mit Hilfe des Sagnac-Effektes detektiert und aufgezeichnet werden. With the independent three ring lasers in the mutually perpendicular measuring planes, rotations of the gyroscope can be detected and recorded simultaneously around all spatial axes using the Sagnac effect.

Claims

Patentansprüche claims
1. Diodengepumpter monolithischer Festköφer-Ringlaser unter Verwendung der Totalreflexion an den Grenzflächen zur Umlenkung der Resonatormode, dadurch gekennzeichnet, daß der Festköφer-Ringlaser als Kreisel dadurch ausgebildet ist, daß zwei in einem gemeinsamen Festköφerlasermaterial gegensinnig umlaufende Ringwellen simultan verstärkt werden und daß aus der Differenzfrequenz der beiden Ringwellen eine Drehrate des nunmehr Festköφer-Ringlaserkreisels abgeleitet wird, wobei das Festköφermedium selbst aus dotiertem Kristall- oder Glasmaterial mit vorzugsweise quadratischer oder rechteckiger Form besteht.1. Diode-pumped monolithic solid-body ring laser using total reflection at the interfaces for deflecting the resonator mode, characterized in that the solid-body ring laser is designed as a gyro in that two ring waves rotating in opposite directions in a common solid body material are simultaneously amplified and that from the difference frequency of the two ring waves, a rotation rate of the now fixed-body ring laser gyroscope is derived, the solid-body medium itself consisting of doped crystal or glass material with a preferably square or rectangular shape.
2. Diodengepumpter monolithischer Festköφer-Ringlaser unter Verwendung der Totalreflexion an den Grenzflächen zur Umlenkung der Resonatormode, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drehung der Resonatormode gegenüber dem Festköφerlasermaterial dadurch hervorgerufen wird, daß zwei oder mehr Laserdioden abwechselnd das Festköφerlasermaterial an benachbarten Stellen optisch anregen und aufgrund der zeitlich sich ändernden örtlichen Verschiebung des Verstärkungsbereiches der örtliche Bereich der Resonatormoden sich ändert.2. Diode-pumped monolithic solid-body ring laser using the total reflection at the interfaces for deflecting the resonator mode, characterized in that a rotation of the resonator mode with respect to the solid body laser material is brought about by the fact that two or more laser diodes alternately optically excite the solid body laser material at adjacent locations and because of this temporally changing local displacement of the amplification area the local area of the resonator modes changes.
3. Festköφer-Ringlaser nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Zonen des Festköφerlasermaterials selektiv optisch angeregt werden, wobei das Volumen so klein gewählt ist, daß eine transversale Modenselektion erfolgt und zur optischen Anregung eine oder mehrere Halbleiter-Laserdioden verwendet werden.3. Festköφer ring laser according to claim 1 or 2, characterized in that certain zones of the Festköφerlasermateriales are selectively optically excited, the volume being chosen so small that a transverse mode selection takes place and one or more semiconductor laser diodes are used for optical excitation.
4. Festköφer-Ringlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Justierung des Strahlenganges des Resonators dadurch erfolgt, daß mit zwei bzw. drei getrennten Dioden gleichzeitig das Modenvolumen und der daran angrenzende Bereich angeleuchtet wird und durch Änderung der Leistungsverhältnisse der Laserdioden und gleichzeitiger Messung der Ausgangsleistung bzw. der Strahllage des Festköφer- Ringlaserkreisels der Strahlverlauf optimiert wird.4. Festköφer ring laser according to one of claims 1 to 3, characterized in that an adjustment of the beam path of the resonator takes place in that with two or three separate diodes simultaneously Mode volume and the area adjacent to it is illuminated and the beam path is optimized by changing the power ratios of the laser diodes and simultaneously measuring the output power or the beam position of the solid-state ring laser gyroscope.
5. Festköφer-Ringlaser nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei der Anordnungen von zwei oder mehr abwechselnd angesteuerten Laserdioden auf zwei gegenüberhegenden Seiten des Festköφer-Ringlaserkreisels angeordnet sind.5. Festköφer ring laser according to one of claims 1 to 4, characterized in that two of the arrangements of two or more alternately driven laser diodes are arranged on two opposite sides of the Festköφer ring laser gyro.
6. Festköφer-Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gegensinnig umlaufenden Ringwellen durch den Effekt der "frustrierten Totalreflexion" mittels einer oder mehrerer an eine oder mehrere Grenzflächen nahe angeordneten dielektrischen Platte oder Platten aus dem Resonator ausgekoppelt wird, wobei der Abstand zwischen der oder den Platte(n) und der oder den Grenzfläche(n) durch eine Bewegung der Platte(n) verändert werden kann, beispielsweise durch einen mikromechanischen Aktuator.6. Festköφer ring laser according to claim 1, characterized in that a part of the oppositely rotating ring waves by the effect of "frustrated total reflection" by means of one or more dielectric plate or plates close to one or more interfaces is coupled out of the resonator, the The distance between the plate (s) and the interface (s) can be changed by moving the plate (s), for example by means of a micromechanical actuator.
7. Festköφer-Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Variation des Abstandes einer oder mehrerer eng an eine oder mehrere der Kristall- oder Glasflächen positionierten dielektrischen Platte(n) aufgrund des sogenannten Goos-Hähnchen-Shifts eine Änderung der örtlichen Modenausbreitung im Ringresonator und somit eine Frequenzverschiebung der gegensinnig sich ausbreitenden Ringwellen erzeugt wird.7. Festköφer ring laser according to claim 1, characterized in that by changing the distance of one or more closely to one or more of the crystal or glass surfaces positioned dielectric plate (s) due to the so-called Goos chicken shift a change in local mode propagation in the ring resonator and thus a frequency shift of the oppositely propagating ring waves is generated.
8. Festköφer-Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine in das Festköφerlasermaterial eingekoppelte Schallwelle eine Frequenzverschiebung einer der beiden gegensinnig umlaufenden Ringwellen gegenüber der anderen aufgrund der Dopplerverschiebung induziert wird.8. Festköφer ring laser according to claim 1, characterized in that a frequency shift of one of the two oppositely rotating ring waves relative to the other due to the Doppler shift is induced by a sound wave coupled into the Festköφerlasermaterial.
9. Festköφer-Ringlaser nach Anspruch 1 und 6, dadurch gekennzeichnet, daß aus Symmetriegründen zwei Einheiten mit Platte zur Strahlauskopplung, Umlenkprisma und Photodetektor an zwei gegenüberliegenden Seiten des Festköφerlasermaterials angeordnet sind. 9. Festköφer ring laser according to claim 1 and 6, characterized in that for symmetry reasons two units with plate for beam coupling, deflection prism and photodetector are arranged on two opposite sides of the Festköφerlasermaterials.
10. Festköφer-Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Festköφerlasermaterial als ein Würfel oder Quader ausgelegt ist und drei unabhängige Ringlaser in den drei aufeinander senkrechten Schnittebenen des Würfels oder des Quaders aufgebaut sind, mit dessen Hilfe die Drehraten des Kreisels um alle drei Raumrichtungen erfaßbar sind. 10. Festköφer ring laser according to claim 1, characterized in that the Festköφerlasermaterial is designed as a cube or cuboid and three independent ring lasers are constructed in the three mutually perpendicular sectional planes of the cube or cuboid, with the help of which the rotation rates of the gyro around all three Spatial directions are detectable.
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