DE2138929B2 - Ringlaser - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringlaser mit einem Lasermedium zur Erzeugung von Lichtstrahlen, die sich gegenläufig in dem geschlossenen Strahlweg des Ringlasers ausbreiten, und mit einer im Strahlweg angeordneten optischen Vorrichtung, welche den Frequenzsynchronismus der optischen Frequenzen der beiden Lichtstrahlen verhindert.

Bei einem Ringlaser mit zwei gegenläufigen Lichtstrahlen, der als Rotaticnsmesser verwendet wird, haben die optischen Frequenzen der beiden Lichtstrahlen einen der Drehzahl des Ringlasers bzw. Rotationsmessers entsprechenden Unterschied bzw. Abstand. Beim Unterschreiten einer kritischen Drehzahl kommt es zum sogenannten Frequenzsynchronismus, d. h. einem plötzlichen Zusammenfallen der beiden Frequenzen auf Grund einer insbesondere durch Streuung im Lesermedium hervorgerufenen Kopplung zwischen den beiden Lichtstrahlen. Dann ist eine Drehzahlerfassung naturgemäß nicht mehr möglich. Aus IEEE Spectrum, Vol. 4 (Oktober 1967), Nr. 10, S. 44 bis 55, ist es bekannt, bei dem eingangs beschriebenen Ringlaser den Frequenzsynchronismus durch künstliches Auseinanderrücken der beiden Frequenzen zu vermeiden und dadurch auch eine Erfassung von Drehzahlen unterhalb der kritischen Drehzahl mit einem Ringlaser zu ermöglichen.
Zum Auseinanderrücken der Frequenzen wird dem Ringlaser entweder eine körperliche, der zu erfassenden Drehung überlagerte Drehung erteilt, oder es wird ein Unterschied in der optisch wirksamen Länge des Strahlweges des Ringlasers in den beiden Rich-

:o tungen durch Einfügung einer optischen Vorrichtung in den Strahlweg mit einem in den beiden Richtungen unterschiedlichen Brechungsindex erzeugt. Die optische Vorrichtung ist eine zwischen zwei Lambdaviertelplatten angeordnete sogenannte Faraday-Zelle, deren Brechungsindex in den beiden Richtungen in Abhängigkeit von einem angelegten Magnetfeld unterschiedlich ist. Bei beiden Methoden wird der künstlich eingeführte Mindestabstand der optischen Frequenzen bei der Ermittlung des Meßergebnisses durch Subtraktion oder durch periodische Vorzeichenumkehr und Ausmittelung berücksichtigt. Die körperliche Drehung des Ringlasers bedeutet wegen des notwendigen zusätzlichen hohen Aufwands keine befriedigende Lösung. Aber auch die Verwendung der Faraday-Zelle ist insbesondere wegen der Notwendigkeit, aus Genauigkeitsgründen ein zeitlich genau definiertes Magnetfeld zu erzeugen, nicht problemlos.

Dementsprechend ist Aufgabe der Erfindung die Angabe eines Ringlasers, bei welchem ein Frequenzsynchronismus mit vergleichsweise einfachen Mitteln sicher und ohne Genauigkeitseinbuße bei der Rotationsmessung vermieden ist.

Ausgehend von einem Ringlaser der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die optische Vorrichtung durch zwei im Abstand voneinander im Strahlweg hintereinander angeordnete akustisch-optische Filter gebildet ist, von denen das eine die Frequenzen der beiden Lichtstrahlen um einen bestimmten Wert herauf- und das andere um den gleichen bestimmten Wert herabsetzt.

Bei dem erfindungsgemäßen Ringlaser wird in einem Teil des Strahlweges die Frequenz des einen Lichtstrahls um einen bestimmten Wert herauf- und die Frequenz des anderen, gegenläufigen Lichtstrahls, um den gleichen Wert herabgesetzt. Dadurch wird erreicht, daß die Resonanzbedingungen für die beiden gegenläufigen Lichtstrahlen verschieden sind und sich ein entsprechender Mindestabstand ihrer optischen Frequenzen einstellt. Die Größe des Mindestabstands ist abhängig von dem Wert, um den die optischen Frequenzen durch die akustisch-optischen Filter zeitweilig verschoben werden und kann daher leicht so eingestellt werden, daß ein Frequenzsynchronismus mit Sicherheit vermieden wird. Die Anordnung ist relativ einfach aufgebaut und kann ohne unangemessenen Aufwand stabil betrieben werden.

Bei der bevorzugten Ausführungsform umfaßt jedes akustisch-optische Filter einen zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren angeordneten, optisch anisotropen Kristall, in welchem mittels eines elektromechanisehen Wandlers am Kristall eine mit den Lichtstrahlen im Kristall kollineare akustische Welle erzeugbar ist. Derartige akustisch-optische Filter sind an sich bekannt. Im Zusammenhang der Erfindung ergeben sie den Vorteil, daß sie die optischen Frequenzen genau um den Wert der Frequenz der akustischen

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Welle verschieben, wodurch sich das Ausmaß der an einer Innenfläche des Kristalls in Richtung der

Verschiebung und damit der Mindestabstand der Längsachse des Kristalls und parallel zu dem opti-

optischen Frequenzen durch eine mit bekannten sehen Strahlweg im Kristall bzw. den Lichtstrahlen

Mitteln relativ leicht zu verwirklichende frequenz- reflektiert wird. Beide Wandler 26 sind über einen

stabile Speisung der Wandler d'.r beiden Filter aus 5 Leistungsverstärker 28 an einen HF-Oszillator 27

einer vorzugsweise gemeinsamen Wechselspannungs- angeschlossen, der mit einer festen Frequenz /„

quelle konstant halten lassen, was eine penaue Korn- arbeitet. Es entstehen daher in beiden Kristallen

pensation des erzeugten Frequenzabstands bei der akustische Wellen mit der gleichen Frequenz /„.

Rotationsmessung ermöglicht. Bei Einhaltung be- Die akustisch-optischen Filter 7 und 8 machen von

stimmter Bedingungen für einzelne Weglängen des io der kollinearen akustisch-optischen Beugung in einem

Strahlweges des Ringlasers gleicht der Mindestab- optisch, anisotropen, doppelbrechenden Medium

stand der optischen Frequenzen genau der Frequenz Gebrauch. Für die Kristalle 25 wird eine solche

der akustischen Wellen und läßt sich daher durch Kristallorientierung gewählt, daß der einfallende,

ein Signal aus der gemeinsamen Wechselspannungs- linear polarisierte Lichtstrahl kollinear an einer

quelle besonders leicht kompensieren. Die akustisch- 15 akustischen Welle von der Eingangspolarisation in

optischen Filter der bevorzugten Ausführungsform eine zweite orthogonale Polarisation gebeugt wird,

haben ferner den Vorteil einer schon mit geringen Bei einer gegebenen akustischen Frequenz f_u kann

akustischen Leistungsdichten im Kristall erzielbaren nur ein kleiner Bereich von optischen Frequenzen

Licht-Transmission von praktisch 100° 0. Schließlich die Bedingungen für die Momentenvektoren erfüllen,

ist ihre genaue Winkelausrichtung im Strahlweg we- 20 was Voraussetzung für die kumulative kollineare

niger kritisch als bei anderen vergleichbaren EIe- Beugung ist. Mit einer Änderung der akustischen

menten. Frequenz ändert sich der Bereich der optischen

Andere zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin- Frequenzen, bei welchen im akustisch-optischen Filter

dung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet. eine Polarisationsdrehung erfolgt. Die Beugung in

Im folgenden wird die Erfindung mit weiteren 25 die zweite Polarisation tritt über die photoelektrische

vorteilhaften Einzelheiten an Hand eines in der ein- Konstante des Kristalls auf und ist nur dann kumu-

zigen Figur als Ausführungsbeispiel schematisch dar- lativ. wenn die Bedingung
gestellten Ringlasers zur Rotationsmessung erläutert.

Der dargestellte Ringlaser umfaßt ein verstärken- | k₀ \ — j k_c | = j k_a \

des Lasermedium 2, beispielsweise eine mit Helium- 30

Neongas gefüllte Röhre, die in einem Ast 3 eines erfüllt ist, wobei die Indizes 0, e und α für den dreieckigen optischen Strahlweges A-B-C-D-E-A ordentlichen und den außerordentlichen Lichtstrahl angeordnet ist, der durch drei Spiegel 4, 5 und 6 und die akustische Welle stehen. Dies ist der Fall, definiert ist. Im gleichen Ast 3 des Strahlweges sind wenn die optischen und akustischen Frequenzen /₀ zwei akustisch-optische Filter 7 und 8 angeordnet, 35 und f_a der Gleichung
und zwar auf entgegengesetzten Seiten des Laser- ,
mediums 2. Geeignete akustisch-optische Filter sind f₀ — ——?—
in dem Aufsatz »Acousto-Optic Tunable Filter«, in ' V\An\
»Journal of the Optical Society of America«, Bd. 59, . . c , ,, , ... . , · . <-.
Nr. 6, S. 744 bis 747, beschrieben. Die akustisch- 4° g^enug^en- ^wobei ψ ^das Verhältnis der optischen Geoptischen Filter 7 und 8 sind derart ausgebildet und schwindigkeit im Vakuum zur akustischen Geangeordnet, daß sie unter Berücksichtigung des schwindigkeit im Medium und An die Doppel-Strahlweges optische Bandpaßeigenschaften inner- brechung des Kristalls bedeuten,
halb des Betriebsfrequenzbereichs des Lasermediums Die halbe Leistungsbandbreite des Bandpasses des 2 haben. Daher schwingt der Ringlaser gleichzeitig 45 optischen Filters ist durch die Gleichung bestimmt: in zwei Schwingungsarten, von denen die eine einem

Lichtstrahl entspricht, der sich im Uhrzeigersinn im B W 00 * _cm-i
Strahlweg ausbreitet und von denen die andere einem ' ' ~ | A η | L
Lichtstrahl entspricht, der sich im Gegenuhrzeigersinn ausbreitet. Die Frequenz der Lichtwellen beträgt 5° wobei B. W. die halbe Leistungsbrandbreite als dabei in dem Bereich A-B-C-D-E des optischen Wellenzah! oder Wellen je Zentimeter und L die Strahlweges Z₁ bzw. /₂ (nominelle opiische Frequen- Wechselwirkungslänge in Zentimeter der optischen zen). Beim Betrieb als Rotationsmesser bewirkt die und akustischen Felder in dem Kristall ist.
Drehung des Ringlasers um eine zur Ebene des Die prozentuale Lichttransmission des Filters bei Strahlweges senkrechte Achse, daß einer der gegen- 55 der optischen Bandpaßfrequenz /₀ ist eine Funktion läufigen Lichtstrahlen frequenzmäßig um eine kleine der akustischen Leistungsdichte im Kristall. Im Fall Frequenz f_R heraufgesetzt wird, welche der Drehzahl des Ringlasers werden die beiden Filter mit einer entspricht, während der andere Lichtstrahl frequenz- so hohen Leistungsdichte im Kristall betrieben, daß mäßig um die gleiche Frequenz /» herabgesetzt wird. sich praktisch eine Transmission von 100% inner-

Jedes der akustisch-optischen Filter 7 und 8 weist 60 halb des jeweiligen Durchlaßbereiches ergibt,

zwei gekreuzte, lineare Polarisatoren 18 und 19 bzw. Bei einem Kristall aus Lithium-Niobat ist die

21 und 22 auf, zwischen denen ein optisch aniso- Wellenlänge des von der ersten in die zweite PoIa-

tropes Medium in Form eines doppelbrechenden risation gebeugten Lichtes von 7000 bis 5500 A

Kristalls 25 angeordnet ist. Geeignete Kristalle be- durchstimmbar, indem die akustische Frequenz von

stehen aus LiNbO.,, PbMoO₄ oder CaMoO₁. An 65 750 bis 1050 MHz verändert wird. Hat der Kristall

jedem Kristall 25 ist an einem Ende ein elektro- eine Länge von 5 cm, ist die Bandbreite des der

mechanischer Wandler 26 angebracht, der bei An- jeweils eingestellten optischen Frequenz zugeord-

regung eine akustische Spannungswelle erzeugt, die neten Durchlaßbereiches kleiner als 2 Angström.

Beim Durchgang durch das Filter wird die optische zeigersinn ausbreitenden Lichtstrahlen folgen den

Frequenz des Lichtstrahles um die akustische Fre- Gleichungen:

quenz /_a herauf- oder heruntergesetzt, und zwar je If-\-T(1-\f\4-l(f\-f\ = N*

nach der relativen Ausbreitungsrichtung der akusti- ''· ²"' '«> ~*~ a Ui >«> ~~ ^c

sehen Welle und des Lichtstrahles und der Polarisa- 5 L₁/, + η L., (/., — /„) -f L.,(/., — /„) = Nc

tionsrichtung des Lichtstrahles in bezug auf die Achse _ocj_er

des doppelbrechcnden Kristalls. Die optische Fre- _nj j_ ^
quenz wird heraufgesetzt, wenn der einfallende PoIa- /ι "/₂ ²Ar -·■■"'■ ^:1 ,
risationsvektor in der Richtung des kleineren Brc- L₁ + tiL., + L_:i
chungsindexes liegt und sich der Lichtstrahl und die _l0 wobei η der Brechungsindex für die gebeugten Lichtakustische Welle in der gleichen Richtung ausbreiten. strahlen, c die Lichtgeschwindigkeit, N die Anzah Wenn demgegenüber entweder allein die Polarisation der Wellenlängen im Strahlweg des Ringlascrs, L₁ die oder allein die relative Ausbreitungsrichtung ge- Weglänge von AB + BC + CD + ÜE, L₂ die gesamte ändert wird, wird die optische Frequenz herabgesetzt. Weglänge durch beide Kristalle und L₁, die kurze Wenn beide gleichzeitig geändert werden, wird die _l5 Weglänge zwischen den Kristallen über' das Laseroptische Frequenz unverändert heraufgesetzt. Im medium 2 ist. In dem Spezialfall, in dem L₁ effektiv Ringlaser haben beide Krislalle 25 die gleiche Orien- gleich nL.,-|-L, ist, gilt
lierung, und die akustischen Wellen breiten sich in

beiden Kristallen in der gleichen Richtung aus. Der U ⁼ >·ι " /«·
sich im Uhrzeigersinn ausbreitende Lichtstrahl mil ₂₀ Dieser Fall ist in der Zeichnung dargestellt.
der nominellen optischen Frequenz/, tritt von der Der Spiegel 6 ist teilreflektierend. Über ihn wird linken Seite in das erste Filter 7 ein. Er ist durch jeweils ein Anteil der beiden gegenläufigen Lichtden Polarisator 18 horizontal polarisiert. An der strahlen aus dem Strahlweg abgezweigt und über akustischen Welle der Frequenz f_a im Kristall 25 wird einen Spiegel 13 bzw. 14 auf einen Photomischer 15 der Lichtstrahl gebeugt und dadurch seine Polarisa- _a5 reflektiert. Dort wird aus den beiden Anteilen eil tion für die optischen Frequenzen innerhalb des Ausgangssignal mit der Schwebungsfrequenz /„ -t 2 /,, Durchlaßberciches des Filters von der horizontalen abgeleitet und einem Mischglied 16 zugeführt, wo es in die vertikale Richtung gedreht. Der vertikal polari- mit einem Signal der akustischen Frequenz aus dem sierte Lichtstrahl ist durch die akustische Welle auf HF-Generator gemischt wird. Es entsteht ein Ausdie Frequenz (/, I /J heraufgesetzt. Er gelangt durch ₃„ gangssignal mit der drehzahlproportionalen Freden vertikalen Polarisator 19 und das Lasermedium 2 quenz 2/_K, die durch Perioden-Zählung in einen· in das zweite akustisch-optische Filter 8, wo er den Zähler 17 festgestellt wird. Gewünschtenfalls kam vertikalen Polarisator 21 passiert und dann kollinear eine zusätzliche Ausgangsschaltung zur Erfassung dei an der akustischen Welle derselben Frequenz /„ in dem Drehrichlung vorgesehen sein, wie sie an sich bczweiten Kristall gebeugt wird. Hierbei wird seine ₃₅ kannt ist. Bei Abweichung vom bevorzugten Spezial optische Frequenz (/,+/„) um die akustische Fre- fall gemäß letzter Gleichung kann nicht mit /„ korn quenz /_a wieder herabgesetzt und seine Polarisation pensiert werden. In diesem Fall stellt man die ab in die Horizontale zurückgedreht. Der aus dem hori- zuziehende FrequenzdifTerenz zwischen /, und /., zontalen Polarisator 22 im Uhrzeigersinn austretende ohne Rotation fest und eicht den Ausgang des Lichtstrahl hat also wieder die ursprüngliche Fre- 40 Zählers 17 entsprechend.

quenz /, und die horizontale Polarisation. Der gegen- Die Anteile der beiden Lichtstrahlen brauchci

läufige Lichtstrahl der nominellen optischen Fre- nicht am gleichen Spiegel 6 abgenommen zu wer

quenz /, tritt mit horizontaler Polarisation in das den. Zum Beispiel kann ein Anteil am Spiegel 6 um

zweite Filter 8 von der rechten Seite aus ein und wird der andere im Ast 3 des Strahlweges abgezwcig

durch die schon beschriebene Wechselwirkung fre- 45 werden. Auch sind die getrennten Polarisatoren 18

quenzmäßig auf (Z₂-/J herabgesetzt und in die 19, 21 und 22 nicht unbedingt erforderlich. Es genüg

vertikale Polarisation gedreht. Er gelangt dann durch als Minimum ein Polarisator im Strahlweg des Ring

das Lasermedium 2 in das erste Filter 7, wo die lasers. Dieser Polarisator kann in irgendeinem de>

optische Frequenz um die akustische Frequenz /„ Elemente im Strahlweg, beispielsweise einem dci

wieder heraufgesetzt und die horizontale Polarisation 50 Spiegel 4, 5, 6 oder einem Brewster-Winkelfenstei

wieder hergestellt wird. enthalten sein. Der Ausdruck »Licht« bedeute

Die nominellen optischen Frequenzen /, und /., elektromagnetische Strahlung und ist nicht auf da¹

für die sich im Uhrzeigersinn und im Gegenuhr- sichtbare Spektrum begrenzt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Ringlaser mit einem Lasermedium zur Erzeugung von Lichtstrahlen, die sich gegenläufig in dem geschlossenen Strahlweg des Ringlasers ausbreiten, und mit einer im Strahlweg angeordneten optischen Vorrichtung, welche den Frequenzsynchronismus der optischen Fiequenzen der beiden Lichtstrahlen verhindert, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung durch zwei im Abstand voneinander im Strahlweg (A-E) hintereinander angeordnete akustisch-optischeFilter(7;8) gebildet ist, von denen das eine (7) die Frequenzen O₁; /₂) der beiden Lichtstrahlen um einen bestimmten Wert Q₁₁) herauf- und das andere (8) um den gleichen Wert herabsetzt.

2. Ringlaser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes akustisch-optische Filter (7; 8) einen zwischen zwei gekreuzten Polarisatoren (18, 19; 21, 22) angeordneten, optisch anisotropen Kristall (25) umfaßt, in welchem mittels eines elektromechanischen Wandlers (26) am Kristall eine mit den Lichtstrahlen im Kristall kollineare akustische Welle erzeugbar ist.

3. Ringlaser nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler (26) beider Kristalle (25) an eine gemeinsame Wechselspannungsquelle (27, 28) angeschlossen sind.

4. Ringlaser nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Kristall (25) aus LiNbOg, PbMoO₄ oder CaMoO₄ besteht.

5. Ringlaser nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlweg (A-E) mindestens ein Strahlenteiler (6) zur Abzweigung jeweils eines Anteils der beiden gegenläufigen Lichtstrahlen aus dem Strahlweg angeordnet und daß eine Vergleichsvorrichtung (15) vorgesehen ist, welche ein dem Frequenzabstand der beiden abgezweigtt .1 Anteile entsprechendes Ausgangssignal abgibt.