DE2901388A1 - Verfahren und anordnung zur messung von drehungen mittels des sagnac-effekts - Google Patents

Description

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Max-Planck-Gesellschaft 15.1.1979

zur Förderung der Wissenschaften e.V. P 79 11

VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR MESSUNG VON DREHUNGEN MITTELS DES SAGNAC-EFFEKTS.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Drehungen mittels des Sagnac-Effektes in einem eine Fläche umschließenden Lichtweg,gemäß den weiteren Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie eine faseroptische Anordnung zur Durchführung eines solchen Verfahrens.

Verfahren und Vorrichtungen dieser Art sind zur genauen Messung sehr kleiner Drehgeschwindigkeiten von beispielsweise weniger als o,1 /see.geeignet,wobei die Empfindlichkeit mit der Länge des Lichtweges und der von diesem umschlossenen Fläche zunimmt. Ausgenutzt wird dabei die drehgeschwindigkeitsproportionale Phasenverschiebung^ zwischen zwei kohärenten Lichtströmen, die den Lichtweg in entgegengesetzter Richtung durchlaufen, wobei die Phasenverschiebung aus der Struktur und/oder Helligkeit des durch Vereinigung der beiden Lichtströme erzielten Interferenzbildes ermittelt wird.Um für praktische Einsatzzweck den Raumbedarf einer solchen Anordnung möglichst gering zu halten und trotzdem eine hohe Empfindlichkeit zu erzielen, wird mindestens der größte Teil des geschlossenen Lichtweges durch eine lange,in zahlreichen Windungen verlegte optische Faser definiert,sodaß man auch bei relativ geringen räumlichen Abmessungen große Windungsflächen erzielt (DT-AS 1 8o7 247;V. VaIi undR.W.Shorthill,Applied Optics JU5 ,29o (1977)) .

Im praktischen Betrieb eines solchen faseroptischen Rotations-Sensors treten jedoch schwerwiegende Instabilitäten auf,die eine eindeutige Korrelation der aus den Interferenzerscheinungen ermittelbaren Phasenverschiebungen mit den zu messenden Drehgeschwindigkeiten in dem Maß erschweren,in dem die Empfindlichkeit der Anordnung gesteigert wird.Aus Gründen dieser Instabili-

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NACi 'iCiHFJZIOHT

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täten gibt es bis heute keinen praktisch einsetzbaren faseroptischen Rotations-Sensor.

Die genannten Instabilitäten konnten anhand systematischer Untersuchungen,auf denen die Erfindung basiert,darauf zurückgeführt werden,daß eine optische Faser,auch wenn sie als sogenannte Monomode-Faser ausgebildet ist,in jeder Richtung mindestens zwei Moden verschiedener Polarisation leitet,die sich mit geringfügig verschiedener Geschwindigkeit in der Faser ausbreiten.Dadurch ist es möglich,daß mechanische Störungen wie seitlicher Druck,Biege-oder Torsionskraft oder sich mit der Temperatur ändernde innere Spannungen der Faser dazu führen, daß die beiden Fasermoden miteinander koppeln,derart,daß das Licht teilweise in der "langsamen",teilweise in der"schnellen" Mode läuft,wobei im Ergebnis unterschiedliche Lichtwege in den beiden Ausbreitungsrichtungen zustande kommen.Daraus resultierende Phasenverschiebungen in den auszuwertenden Interferenzerscheinungen können dann nicht mehr von solchen unterschieden werden,die von der an sich zu messenden Drehung herrühren.

Aufgabe der Erfindung ist es,ein Verfahren und eine faseroptische Anordnung der eingangs genannten Art anzugeben,die Unempfindlichkeit gegen derartige Störungen gewährleisten.

Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Verfahrens durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 und die durch die Merkmale der Unteransprüche 2-4 näher spezifizierten Verfahrensarten gelöst.

Mit Bezug auf die Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die eingangs genannte Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 5 gelöst.In den weiteren Ansprüchen 6-13 sind vorteilhafte,teilweise alternative Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Anordnung definiert.

Der besondere Vorteil der erfindungsgemäß vorgesehenen Regeleinrichtung besteht darin,daß unabhängig von den an der op-

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tischen Faser wirksamen Störungen ein für den Nachweis günstig hoher Signalpegel aufrecht erhalten bleibt.Versuche mit einem einfachen Laboraufbau haben ergeben,daß die Stabilität der Interferenzerscheinung unabhängig von den erwähnten Störeinflüssen ist.Damit ist durch die Erfindung eine wesentliche Voraussetzjng für die Erstellung eines in der Praxis einsetzbaren Drehgeschwindigkeits-Meßgeräts geschaffen.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung spezieller Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung.Es zeigen:

Fig.1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen

. Anordnung zur Messung von Drehungen mit in ausgezogenen Linien dargestelltem Strahlengang und eine zweite Ausführungsform,die die in gestrichelten Linien eingezeichnete Ergänzung umfaßt,

Fig.2 eine im Rahmen der Anordnungen gemäß Fig.1 einsetzbare Regeleinrichtung zur Stabilisierung des Polarisationszustandes der miteinander interferierenden Lichtströme und

Fig.3 Einzelheiten eines Stellgliedes der Regeleinrichtung gemäß Fig.2.

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Die Fig.1 zeigt zwei spezielle Ausführungsbeispiele eines faseroptischen Ringinterferometers 1o zur Messung von Drehgeschwindigkeiten, das sich von bekannten Ringinterferometern. dieser Art(VaIy and Shorthill,Applied Optics,Bd.16,Nr.2,Februar 1977,S.29o,291)sowie hinsichtlich des Verfahrens,nach dem die Drehgeschwindigkeit ermittelt wird,dadurch unterscheidet, daß die an den beiden Faserenden 11 und 12 eingekoppelten, durch die Pfeile 13 und 14 repräsentierten Lichtströme einen definierten Polarisationszustand haben,und daß mindestens ein Analysator 16 vorgesehen ist,durch den ein Polarisationszustand selsktiert wird,der dann allein für den Nachweis ausgenutzt wird.

Im folgenden sei zunächst auf diej einige Ausführungsform des Ringinterferometers 1o Bezug genommen,deren Strahlengang in ausgezogenen Linien dargestellt ist:

eine Lichtquelle 17,vorzugsweise ein Laser,sendet ein monochromatisches Lichtbündel aus,aus dem,wenn es nicht schon polarisiert ist,mittels eines Polarisators 18 ein durch den Pfeil repräsentierter Eingangslichtstrom mit definiertem Polarisationszustand ausgesondert wird.Dieser Eingangslichtstrom 19 wird durch den Strahlenteiler 2o,der als ein teildurchlässiger,verlustfreier Spiegel vorausgesetzt sei,in die beiden Lichtströme 13 und 14 annähernd gleicher Intensität aufgeteilt,die über geeignete Kopplungselemente,ζ.B.Linsen 21 und 22 in einen durch eine optische Faser 23 definierten,eine Fläche 24 umschließenden Lichtweg 2o,23,2o eingekoppelt werden.Die beiden Lichtströme 13 und 14 durchsetzen diesen Lichtweg in entgegengesetzter Richtung. Die an den Faserenden 11 und 12 austretenden,durch die Pfeile und 27 repräsentierten Lichtströme werden durch den nunmehr als Strahlvereiniger ausgenutzten Hauptstrahlenteiler 2o zur Interferenz gebracht.Vom Hauptstrahlenteiler 2o gehen die durch die beiden Pfeile 28 und 29 repräsentierten Lichtströme aus. Der eine Lichtstrom 28 gelangt zu dem Analysator T6,der gemäß der Erfindung so ausgebildet und eingestellt ist,daß er die für

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den Nachweis erwünschte Komponente des Lichtstromes 28 zu einer Detektoreinrichtung 3o weiter leitet,während er die dazu orthogonale Komponente des Lichtstromes 28 auf einen räumlich von der Detektoreinrichtung 3o getrennt angeordneten Detektor 31 lenkt.Der Analysator 16 selektiert als gewünschten Polarisationszustand denjenigen,für den der Detektor 31 ein Null-Ausgangssignal liefert,wenn an dem einen Faserende 11 der Eingangslichtstrom 13 durch einen nicht dargestellten ebenen Spiegel in sich selbst als Lichtstrom 26 zurückreflektiert wird.Dies ist die Bedingung(Justiervorschrift) für korrekten Abgleich des Ringinterferometers 1o) .

Die Detektoreinrichtung 3o für die erwünschte Polarisationskomponente ist so ausgebildet,daß sie . für die Phasenverschiebung der interferierenden Teillichtströme charakteristische Ausgangssignale liefert.Dies kann beispielsweise dadurch erreicht sein,daß die Detektoreinrichtung 3o für die erwünschte Polarisationskomponente eine Anzahl von Einzeldetektoren aufweist,die in definierten,verschiedenen Abständen vom Zentrum eines beispielsweise als Ringsystem ausgebildeten Interferenzbildes angeordnet sind,wobei diese Abstände mit verschiedenen Phasen unterschieden der miteinander interferierenden Teillichtströme verknüpft sind.Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist angenommen,daß die Detektoreinrichtung 3o zwei Einzeldetektoren hat,deren Ausgangssignale in Quadratur zueinander stehen,d.h.die Phasenlage,mit der die Teillichtströme in den vom einen Detektor überwachten Teil des Interferenzbildes interferieren,unterscheidet sich um 9o° von derjenigen Phasenlage,mit der die Teillichtströme in dem vom anderen Detektor der Detektoreinrichtung überwachten Teil des Interferenzbildes interferieren.

Das entsprechend der vorstehend genannten Vorschrift justierte Ringinterferometer 1o arbeitet wie folgt:wenn sich das Interferometer 1o und damit die vom Lichtweg 2o,24,2o umschlossene Fläche 24 dreht,tritt aufgrund des Sagnac-Effektes.zwischen den austretenden Lichtströmen 26 und 27 eine Phasenverschiebung au f,gemäß der Beziehung:

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Hierbei ist F die sogenannte Windungsfläche,die gleich der Summe der von den einzelnen Windungen des durch die optische Faser 23 markierten Lichtweges umschlossenen Einzelflächen ist. ζ£_ bezeichnet die Komponente der Winkelgeschwindigkeit,die senkrecht zur Windungsfläche steht.% ist die Vakuumwellenlänge des eingekoppelten Lichtes und c die Lichtgeschwindigkeit.

Diese Phasenverschiebung^ hat zur Folge,daß sich die Intensitäten der auf die Detektoreinrichtung 3o und den Detektor auftreffenden Lichtströme ändern.

Eine Schwierigkeit bei faseroptischen Ringinterferometern für die Drehungsmessung besteht nun darin,daß auf die optische Faser einwirkende Störungen(Querkräfte,Biegungs-und Torsionskräfte,Temperaturschwankungen u.a.)die Doppelbrechungseigenschaften der Faser beeinflussen können,was im Ergebnis ebenfalls zu Schwankungen der Detektorausgangssignale führt.Mit bekannten Ringinterferometern ist es nicht möglich,solche Schwankungen von den erwünschten Intensitätsänderungen zu unterscheiden,die von der tatsächlich stattfindenden und zu messenden Drehung herrühren.Eine die Ausgangssignale der Detektoreinrichtung und des Detektors 31 verarbeitende Auswertungselektronik 32 muß aber in der Lage sein,diese Ausgangssignale zu einem drehgeschwindigkeitsproportionalen Anzeigesignal zu verarbeiten.

Durch den erfindungsgemäßen Einsatz des Polarisators 18 und des Analysators 16 bzw.damit äquivalenter Mittel wird nun erreicht,daß das beispielsweise als Ringsystem ausgebildete Interferenzbild unabhängig von den genannten,auf die optische Faser 23 einwirkenden Störungen,in seiner geometrischen Konfiguration erhalten bleibt.Dadurch ist es möglich,aus einer mittels der Detektoreinrichtung 3o erfaßten Änderung der räumlichen Verteilung des Interferenzbildes auf die von der Drehung

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des Interferometers 1o verursachte Phasenänderung φ und damit auf die Drehgeschwindigkeit selbst zu schließen.Die vorstehend erläuterte Ausnutzung polarisierter Lichtströme zur Erzeugung eines in seiner geometrischen Konfiguration gegen die optische Faser 23 beeinflussende Störungen stabilisierten Interferenzbildes schließt jedoch noch nicht aus,daß die erwähnten Störungen zu Helligkeitsschwankungen des Interferenzbildes führen können/die aber dann an sämtlichen Stellen des Interferenzbildes mit demselben Faktor erfolgen.In ungünstigen Fällen kann es sogar eintreten,daß die Intensität des Interferenzbildes. unter aer Nachweiagrenze der Detektoreinrichtung 3o i-t- und damit eine Auswertung der Drehgeschwindigkeit unmöglich wird.

Um in jedem Falle ein Interferenzbild mit für den Nachweis ausreichender Intensität zu erzielen,ist gemäß der Erfindung eine Regelungseinrichtung 33 vorgesehen,die bei dem am einen Faserende 11 austretenden Lichtstrom 26 einen Polarisationszustand aufrecht erhält,der von dem vom Analysator 16 gesperrten Polarisationszustand deutlich verschieden ist. "

Hierzu eignet sich beispielsweise ein Regelkreis,der mittels eines die Polarisation der miteinander interferierenden Lichtströme beeinflussenden Stellgliedes auf minimales Ausgangssignal am Detektor 31 regelt.Dadurch ist es im Prinzip gleichgültig, an welcher Stelle des Strahlenganges das Stellglied den Polarisationszustand eines dort vorhandenen Lichtstromes beeinflußt, sofern hierdurch die erfoderliche Polarisationsänderung der letztendlich miteinander interferierenden Teillichtströme erzielbar ist.

Die Fig.2 zeigt eine im Rahmen des erfindungsgemäßen Ringinterferometers 1o einsetzbare Regeleinrichtung 34,die ausschließlich auf den Po^larisationszustand des am Faserende 11 austretenden Lichtstromes 26 anspricht und durch Beeinflussung der Doppelbrechungseigenschaften der optischen Faser 23 in unmittelbarer Nähe des Faserendes 11 den erwünschten Polarisations-Sollzustand aufrecht erhält,Es sei angenommen_rdaß dies der durch

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den Polarisator 18 und den Analysator 16(Fig.1)ausgezeichnete Zustand horizontaler Polarisation sei,d.h.die Polarisationsebene soll mit der durch den Vereinigungsstrahlengang 26,27, 28 markierten Ebene zusammenfallend //- £>/'" t^ih^<^) „

Da insbesondere an der optischen Faser 23,im übrigen an beliebigen Stellen im Strahlengang wirksame Störungen im allgemeinen Fall dazu führen können,daß der beispielsweise am Faserende 11 austretende Lichtstrom 26 eine elliptische Polarisation hat,die sowohl hinsichtlich des Azimuths X ihrer linearen Polarisationskomponente als auch durch «fee die Elliptizität Y des Austritts-Polarisationszustandj vermittelnden Anteil ,. τ-an zirkularer Polarisation vom H-Sollzustand abweicht,sind zwei Regelkreise ,mit denen diese Abweichungen vom H-Sollzustand unabhängig voneinander kompensierbar sind.Hierzu ist die Regeleinrichtung 34 wie folgt aufgebaut:

Mittels eines Hilfsstrahlenteilers 36,der in der Fig.2 repräsentativ als teildurchlässiger Spiegel dargestellt ist,wird ein geringer Teil (ca. 1o-2o%) des am Faserende .11 austretenden Lichtstromes 26 in einei^ Polarisations-AnalysatorW37 eingekoppelt,4ee an einem ersten Ausgang 38 ein elektrisches Fehlersignal abgibt,das der azimuthalen Abweichung X des analysierten (elliptischen oder linearen)Polarisationszustandes vom horizontalen Soll-Zustand proportional ist_/und an einem zweiten Ausgang 39 ein Fehlersignal erzeugt,das der Elliptizität Y bzw.dem zirkulären Polarisationsanteil des analysierten Polarisationszustandes proportional ist.Die elektrischen X und Y-Fehlersignale werden über Regelverstärker 4o bzw,41,die vorzugsweise eine PID-Charakteristik habenvStelleinrichtungen bzw.43 gegeben,mit denen die genannten X- und Y-Abweichungen unabhängig voneinander kompensierbar sind.Die geeignete Wahl der Regelcharakteristik unter Berücksichtigung des Ansprech-Verhaltens des Polarisations-Analysators 37 und der Stelleinrichtungen 42 und 43 sowie des Zeitverlaufs der* vorkommenden Polarisationsstörungen,der zulässigen Regelabweichungen und des vertretbaren elektronischen Aufwandes ist dem Fachmann ohne weiteres möglich.

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Die Stelleinrichtung 43 enthält als Stellglied eine in der Fig.3 durch zwei 8acken 44 und 46 repräsentierte elek-

- OrMtK tromagnetisch oder piezoelektrisch ansteuerbare vorrichtung", mi't" der "au'f" die" optische Faser 23 eine unter einem Winkel von 45 bezüglich der Polarisationsebene des H-SoIl-Zustandes eine Krafter ausübbar ist,die sich additiv aus einem konstanten" Vorspannungsbeitrag^/ und einem zum Y-Fehlersignal und der Regelverstärkung ν_γ proportionalen, variablen Beitrag zusammensetzt,der je nach der Richtung der erforderlichen" Regelung mit" verschiedenen Vorzeichen behaftet'"ist. Der die'Y-Steileinrichtung 43 enthaltende Regelkreis 36, 37,41,43 regelt dadurch",daß er der optischen Faser einen geeigneten Beitrag" an linearer Doppelbrechung mit 45 -Achsrichtung aufprägt,auf" linearen Polarisationszustand,dessen azimutha-Ie(X-)-Abweichung vom H-Sollzustand durch" den die andere Stelleinrichtung 42 enthaltenden Regelkreis 36,37,4o,42 aus^geregelt wird.Dies im Prinzip dadurch realisierbar,daß der optischen Faser 23" Γη" ihrem Endabschnitt" "47 ,beispielsweise durch Verdrillung dieses" Endabschnitts mit einem X-propbrtionalen Torsionsgrad eine zirkuläre Doppelbrechung geeigneten Betrages aufgeprägt wird.

Technisch einfacher ist es aber,die erforderliche Drehung des Polarisations.zus.tandes durch- .eine Kombination :line.arer_; Doppelbrechungse-inoens-chaf ten zu -erreiche-n,die> -der. optischen-Faser

"Druck DfUiR

mittels der Qwe±*s4*vo_rrichtung 44,46 .artalqge-g- Qw»tgpkvorrichtungen 48,49 und 5o,.51 bzw. 52, 53 aufgeprägt- werden ,.die .ent^ lang des Endabschnitts. 4 7 der .optischen Faser .angreifen. „.Bei den beiden äußeren Quß-f sahVorrichtunge.n .48,49 und So_,-ST. der-X-Stelleinrichtung. 42 ist die Angriff sr ich tung~ der.

J6:äfte dieselbe wie bei der Vorrightun.g .44,4,6; -.der. .Y-Stell einrichtung 43.Die Beträge der- von den äußer ent _@«e*&ekVor richtungen 48,49 und 5o,51 ausgeübten Xra-fte sind -gleich und so gewählt »daß. .die diesen Kr ärften _-a;us.-g;es_:e:tz-te:ix.-.F.as.e.r_;abschaitte; au-f-gr.u.n.d..-.dec- irid_uz;ie.r:b.eil· ittri^ar^n; -öoppÄlbreohiing -.die Eigenschaften von unter 45 stehenden X/4-Platten haben.Die Angriffsrichtung der von der mittleren Vorrichtung 52,53 der X-Stelleinrichtung 42 ausgeübten QKraftjfl_v ,die sich

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wiederum additiv aus einem konstanten VorspannungsbeitragV* _χο und einem hinsichtlich Betrag und Vorzeichen variablen,dem Fehlersignal X und der Regelverstärkung ν_χ des X-Regelverstärkers 4o proportionalen Beitrag v*X zusammensetzt,verlauft in der Polarisationsebene des H-Sollzustandes oder senkrecht dazu.

Wenn die X-und Y-Regelkreise angeschaltet werden,so stellt sich ein Zustand mit Χ#««Ό und Υ» Ο ein.Dies ist dann entweder gewünschte Sollzustand H oder aber der dazu orthogonale,unerwünschte ^Zustand.Welchen dieser beiden Zustände die Regeleinrichtung 34 nach dem Einschalten zunächst "einfängt'Jist am Ausgangssignal des Detektors 31 (Fig.T) erkennbar,das bei einem Einfangen des unerwünschten "^-Polarisationszustandes maximal wird und nun seinerseits da.zu ausgenutzt werden kann,die Regeleinrichtung 34(SHF den erwünschten H-Polarisationszustand^d einzustellen.

Wie man anhand der Fig.2 und 3 erkennt,ist es möglich,die unter demselben Winkel an der optischen Faser 43 angreifenden, einander benachbarten QueteehVorrichtungen 44,46 und 48,49 der Y-Stelleinrichtung 43 bzw.der X-Stelleinrichtung 42 zu einem einzigen Quetschvorriohfrang zusammen zu fassen, /lu nt. /^ γ Qvfsprechend n^&cfifisief^ ist. Es sei noch einmal auf die Fig.1 Bezug genommen: bezieht man den in gestrichelten Linien eingezeichneten,einen Hilfsstrahlenteiler 54,einen Analysator 56 und einen Detektor 57 in der aus der Fig.1 ersichtlichen Anordnung zueinander in das Ringinterferometer 1o mit ein und ersetzt man den eingangs als verlustfrei vorausgesetzten Strahlenteiler 2o durch einen solchen,bei dem die Phasenlage der Interferenz in den beiden Ausgangslichtströmen 28 und 29 um etwa 9o° verschieden ist,und der deshalb mit Verlusten behaftet sein muß,erhält man eine weitere zweckmäßige Gestaltung eines Ringinterferometers für die Drehungsmessung.Bei diesem Ringinterferometer kann die für die Drehgeschwindigkeit charaktieristische Phasenverschiebung aus einem Vergleich der Intensitäten der aus den bei-

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den Analysatoren 16 und 56 austretenden Lichtströme,die den Soll-Polarisationszustand haben,ermittelt werden.Diese Anordnung erfordert daher lediglich Einzeldetektoren 3o bzw.57, anstelle der sonst erforderlichen Detektoreinrichtungen,mit denen die Intensitätsverteilung in einem strukturierten Interferenzbild abtastbar ist.Bei den erläuterten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Anordnung sind zwar ausschließlich Stelleinrichtungen 42 und 43 beschrieben,die mit mechanischer Kraft direkt an der optischen Faser 23 angreifen.Es versteht sich jedoch,daß auch außerhalb der Faser befindliche Polarisationsstellglieder eingesetzt werden können.Hierfür eignen sich ζ.B.elektrooptische Kristalle,deren Doppelbrechungseigenschaften mittels eines elektrischen Steuerfeldes beeinflußbar sind.Solch elektrooptischen Polarisationsstellglieder werden dann zweckmäßigerweise im Strahlengang zwischen dem Hilfsstrahlenteiler 36(Fig.2)und dem Faserende 11 eingesetzt.

!veiter ist es nicht zwingend erforderlich,daß der Polarisator 18 und die Analysatoren 16 und 56 die in der Fig,1 dargestellte Anordnung haben.Vielmehr können im Lichtweg zwischen dem Hauptstrahlenteiler 2o und den Faserenden 11 und 12 Polarisatoren angeordnet sein,die dann für das jeweils aus den Faserenden austretende Licht als Analysatoren wirken.Bei einer solchen Anordnung ist automatisch die eingangs genannte Justiervorschrift erfüllt.

Es ist auch möglich,das erfindungsgemäße Verfahren im Rahmen einer in der Technik der integrierten Optik aufgebauten Anordnung anzuwenden.Dabei können die natürlichen Doppelbrechungseigenschaften der Leitungen integriert optischer Anordnungen mit Vorteil zur Definition der gemäß der Erfindung geforderten Polarisationszustände ausgenutzt v/er den. Weiter können die Stellglieder dann zweckmäßig elektro-optische Phasenschieber mit integriert werden und ebenso die Sensoren für die Polarisationsregelung.Derartige Realisierungen 'eines Ring-Int^rferometers zur Drehungsmess ung werden als äquivalent zum Gegenstand der Erfindung angesehen.

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Im vorstehenden ist stillschweigend vorausgesetzt,daß die optiscne Faser 23 eine sogenannte Monomode-Faser ist.Wenn man anstelle einer Monomode-Faser eine sogenannte MuItimode-Faser verwendet,so gelten die vorstehend dargelegtenS Überlegungen analog.Es werden dann jedoch Moden-Filter an beiden Enden der optischen Faser benötigt,mit denen eine einzige,vorzugsweise die Grundmode,aus den möglichen Fasermoden ausgefiltert werden kann.

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Claims (1)

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   PATENTANSPRÜCHE

   Verfahren zur Messung von Drehungen mittels des Sagnac-Effektes in einem eine Fläche umschließenden Lichtweg,wobei zwei kohärente Lichtströme an den beiden Enden des Lichtweges eingekoppelt werden,von dem ein Abschnitt Störungen unterworfen ist,die den Polarisationszustand der Lichtströme beeinflussen,und wobei die an den Enden des Lichtweges austretenden Lichtströme zur Interferenz gebracht werden und aus einer Analyse der Interferenzerscheinungen auf die Drehung des Lichtweges geschlossen wird, dadurch gekennzeichnet,daß die beiden Lichtströme mit definierten Polarisatxonszustanden in den den Störungen unterworfenen Abschnitt des Lichtweges eingekoppelt werden, und daß die miteinander interferierenden Lichtströme durch eine Analysator-Einrichtung geleitet werden,die für den Nachweis jeweils nur denjenigen Polarisationszustand passieren läßt,den das reflektierte Licht hätte,wenn die definiert polarisierten Lichtströme,anstatt in den den Störungen unterworfenen Abschnitt des Lichtweges eingekoppelt zu werden,durch amiden Enden des den Störungen unterworfenen Lichtweg-Abschnittes angeordnete ebene Spiegel in sich selbst zurück reflektiert werden würden.

   Verfahren nach Anspruch 1,

   dadurch gekennzeichnet,daß mittels eines polarisationsempfindlichen Regelkreises bei mindestens einem der aus dem den Störungen unterworfenen Abschnitten des Lichtwegs austretenden Lichtströme ein Polarisationszustand aufrecht erhalten wird,der von dem durch die Analysator-Einrichtung gesperrten Polarisationszustand deutlich verschieden ist.

   Verfahren nach Anspruch 2,

   dadurch gekennzeichnet,daß die Polarisationsregelung denjenigen Polarisationszustand aufrecht erhält,der durch den Analysator markiert ist.

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   4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß aus der für die Intensität der Interferenzerscheinungen cnarakteristischen DetektorsignaLen und aus für die Intensität der Lichtquelle charakteristischen Detektor-Ausgangssignalen durch Quotientenbildung normierte Auswertungssignale erzeugt werden.

   5. Anordnung zur Messung von Drehungen,insbesondere nach dem Verfahren gemäß den vorhergehenden Ansprüchen,mit einem die Drehbewegung mit ausführenden Ring-Interferometer,bei dem mindestens ein Teil des die Fläche umschließenden Lichtweges durch eine optische Faser definiert ist, dadurch gekennzeichnet,daß in dem von der Lichtquelle(17) zu beiden EndenCll und 12)der Faser(23)des I terferometers(10)führenden Teilen des Lichtweges mindestens ein Polarisator(18)angeordnet ist,und daß im Lichtweg der zur I:\terferenz gelangenden kohärenten Ausgängslichtströme der Faser ein Analysator (, 16 ) vorgesehen ist,der denjenigen Polarisationszustand selektiert,der sicn im reflektierten Licht ergibt,wenn man den einen oder den anderen ir. aen geschlossenen Lichtweg eintretenden Lichtstromi ;:er 14)mittels eines ebenen Spiegeis in sich selbst zurückreflektiert , und daß eine auf den Polarisationszustand ;es am einen Ende*.ll)der Faser ( 23) austretenden Lichtstro- ~esi. 26 ) ansprechende Regeleinrichtung vorgesehen ist,die ir. diesem Lichtscrom einen vorgebbarer., von dem durch den Analysator(16)gesperrten verschiedenen,Polarisationszustand aufrechterhält.

   6. Anordnung nach Anspruch 5,

   asdurch gekennzeichnet ,daß cie Regeleir.richtungC 33 ; 34 ) mindestens eine Steileinrichtung auf weist, die die Doppel- :;recr.ungseigenscr.af ten an demjenigen Ende(l.)der Fasen 23) :;eei.-.f lußt, an dem der bezüglich seines Polarisationszus tan-..:es überwachte Licntstroml 26 ) austritt ,wobei diesem Stellglied der Faser ( 23 ) eine Doppelbrechung aufprägb.ar ist, die am Analysator(16)in einem Polarisationseigenzustand

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   resultiert,von dem mindestens eine Komponente durch den Analysator(16)hindurchtritt.

   7. Anordnung nach Anspruch 6,

   dadurch gekennzeichnet,daß die Regeleinrichtung(33;34)den Polarisationszustand des am überwachten Faserende(11)ausgekoppelten Lichtstromes ( 26) auf den vom Analysator (16 ) durchgelassenen Polarisationszustand regelt.

   8. Anordnung nach Anspruch 7,

   dadurch gekennzeichnet,daß die RegeleinrichtungC34)zwei für ausgewählte Komponenten der Polarisation des am Faserende(ll)austretenden Lichtstromes(26)charakteristissche Fehlersignale erzeugt,und daß zwei durch diese Fehlersignale, oder durch Kombinationen derselben gesteuerte Stelleinrichtungen(42,43)vorgesehen sind,mit denen auf-

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   einander folgenden Abschnitten der Faser(23)Doppelbrechungseigenschaften aufprägbar sind,denen verschiedene Polarisationseigenziitände entsprechen und daß die ausgewählten Polarisationskomponenten und die verschiedenen Polarisationseigenzustände von dem vom Analysator(16 gesperrten Zustand verschieden sind.

   9. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet,daß die an den Faserenden(11,12) eingekoppelten Lichtströmei13,14)linear polarisiert sind, wobei die Polarisationsebene parallel oder senkrecht zu der durch den Vereinigungsstrahlengang markierten Ebene verläuft,daß die Regeleinrichtung einen Polarisationsanalysator(37)aufweist,dem über einen Hilfsstrahlentei— ler ( 30), der· zwischen dem einen EndeClDder Faser(23)und dem Strahlvereiniger(20)angeordnet ist,ein Bruchteil von ca,10-20% des am Faserende austretenden Lichtstromes(26) zugeführt ist,daß der Analysator(37fein erstes für eine azi-

   muthale Abweichung X des erfaßten Polarisationszustandes vom Soll-Zustand charakteristisches Fehlersignal und ein zweites für den zirkulären Polarisations anteil charakteristisches Y-Fehlersignal erzeugt,und daß durch das Y-Fehler-

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   signal eine erste Stelleinrichtung(43)angesteuert ist, die in der optischen Faser(23)eine die Y-Abweichung des Polarisationszustandes am Faserende kompensierende Doppelbrechung induziert,und daß durch das X-Fehlersignal eine zweite Stelleinrichtung(42)angesteuert ist,die in der Faser eine die X-Abweichung des Polarisationszustandes am Faserende kompensierende Doppelbrechung erzeugt.

   10. Anordnung nach Anspruch 8 oder Anspruch 9,

   dadurch gekennzeichnet,daß mindestens ein Stellglied der Stelleinrichtungen(42,43)als Druckvorrichtung(44-53)ausgebildet ist,mit der unter einem definierten Winkel bezüglich der durch den Soll-Polarisationszustand ausgezeichneten Ebene eine fehlersignalproportionale transversale Druckkraft an die Faser(23)ablegbar ist.

   11. Anordnung nach Anspruch 1o in Verbindung mit Anspruch 9; dadurch gekennzeichnet,daß die durch das Y-Fehlersignal des Polarisationsanalysators(37)angesteuerte erste Stelleinrichtung (43) eine Druckvorrichtung(44,46)aufweist,deren Kraft unter einem Winkel von vorzugsweise 4 5 bezüglich der durch den Soll-Polarisationszustand ausgezeichneten Ebene an der optischen Faser(23)angreift und sich additiv aus einer konstanten Vorspannung«? ° und einer nach Größe und Änderungssinn fehlersignalproportionalen variablen Kraft ν_γ·Υ zusammensetzt.

   12. Anordnung nach den vorhergehenden Ansprüchen 9-11, dadurch gekennzeichnet,daß die durch das X-Fehlersignal des Polarisationsanalysators(37)angesteuerte zweite Stelleinrichtung (42) mindestens zwei an der Faser(23)angreifende Druckvorrichtungen(48,49 und 5o,51 und 52,53)aufweist,wobei eine Druckvorrichtung(5o,51)unter 45°bezüglich der Soll-Polarisationsebene eine auf die Faser(23)wirkende konstante Kraft ausübt,die dem gedrückten Faserabschnitt die Eigenschaften einer ?l/4-Platte vermittelt,und die andere Druckvorrichtung (52 ,53) eine in Richtung der Soll-Polar'isationsebene oder senk-

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   recht dazu angreifende KraftA auf die Faser(23)ausübt, die sich additiv aus einer konstanten Vorspannung^⁰ und einem nach Größe und Änderungssinn fehlersignalproportionalen variablen Beitrag Χ·ν_ν zusammensetzt.

   13. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5-12, dadurch gekennzeichnet,daß ein Strahlenteiler(2o)eingesetzt ist,bei dem die Phasenlage der Interferenz in den beidenAusgangslichtströmen(28 und 29) um etwa 9o verschieden ist, und daß ein Hilfsstrahlenteiler(54)vorgesehen ist,der einen Teil des zur Lichtquelle(17)zurücklaufenden Lichtstromes(29) durch einen Analysator(56)auf einen Detektor(57)lenkt,wobei der Analysator(56)einen Polarisationszustand,der aus den Faserenden (11,12)austretenden Lichtströme(26,27)selektiert, der gleich dem vom Analysator(16)für den Nachweis selektierten Polarisationszustand ist.

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