DE2920429A1

DE2920429A1 - Einrichtung zur verringerung der laser-gyromodenverriegelung

Info

Publication number: DE2920429A1
Application number: DE2920429A
Authority: DE
Inventors: Virgil E Sanders
Original assignee: Litton Industries Inc
Current assignee: Northrop Grumman Systems Corp
Priority date: 1978-05-26
Filing date: 1979-05-19
Publication date: 1979-11-29
Also published as: GR66808B; NL7901581A; NO152272B; IL56658A; NL181953B; SE448320B; BR7901915A; CH645718A5; FR2426887B1; AU4398179A; ES479075A1; NL181953C; GB2021851B; NO152272C; IT1115066B; JPS54155794A; NZ189487A; JPS596520B2; GB2021851A; FR2426887A1

Description

Dipl.-lng. A. Wasmeier

patentanWäüte: . : :***.. .· *..:

Dipl.-lng. H. Graf

Patentanwälte Postfach 382 8400 Regensburg

in das

Deutsche Patentamt

8 München 2

D-8400 REGENSBURG 1

GREFUNGER STRASSE 7 Telefon (09 41)54753 Telegramm Begpatent Rgb. Telex β 5709 repat d

Ihr Zeichen You' Ref.

Ihre Nachricht Your Utter Unser Zeichen Our Ref.

L/p 9711

ο".?. 16. März 1979 W/He

Anmelder: UTTOH STSTiMS, IHC, 360 North. Crescent Drive, Bererly Hills, California 90210, TISl

Titel: "Einrichtung zur Verringerung der Laser-Gyromodenverriegelung"

Priorität: TJSi. SH-Hr. 909.919 vom 26. Mai 1978

909846/0731

Konten: Bayerische Vereinsbank (BLZ 750200 73) 5 839 Postscheck München 89369-801

Gerichtsstand Regensburg

• ·

16.3.1979 V/He •••-•-4.- · ·· Vp 9711 %

Die Erfindung bezieht sich auf Singlaser, die als Gyroskope vor- b

wendet werden, bei denen die Differenz zwischen den Resonanz- | frequenzen von in entgegengesetzter !Richtung fortschreitenden Strahlungsenergie- oder Idchtwellen ein Maß für die Drehung der Anordnung ist, in der die sich ausbreitenden Wellen wandern.

Einglasergyroskope, die in entgegengesetzter Sichtung fort- ! schreitende laserstrahlen verwenden, sind an sich bekannt. Diese werden zum Hessen der Drehung des Singlaser-Gyroskops durch Kombinieren von Teilen der in entgegengesetzter Sichtung fortschreitenden Hoden verwendet, um eine Schwebungsfrequenz zu erzeugen, die die Frequenzunterschiede zwischen den Gegenmoden angeben. Der inadruck "Mode" wird austauschbar mit der Bezeichnung "Welle" verwendet, und bedeutet eine Sesonanzwanderwelle von Strahlungsenergie, die innerhalb eines Einglaserhohlraumes fortschreitet. Wenn der Einglaserkörper um eine Achse gedreht wird, die eine Komponente senkrecht zur Binglaserkomponente enthalt, nimmt die Frequenz von Wellen, die in einer Sichtung innerhalb des Hohlraumes fortschreiten, zu, während die Frequenz von Wellen, die in entgegengesetzter Sichtung fortschreiten, abnimmt. Diese Frequenzänderung zwischen den in entgegengesetzter Sichtung fortschreitenden Hoden ergibt eine Änderung der Schwebungsfrequenz proportional der Drehgeschwindigkeit. Durch Überwachung des Schwebungssignales werden Informationen über die Drehgeschwindigkeit des Einglasers erzielt.

Für ein Einglasergyroskop, das mit niedrigen Drehgeschwindigkeiten arbeitet, muß jedoch die Frequenzverriegelung oder das Mitziehen überwunden werden« Dieses Phänomen tritt auf, wenn zwei in entgegengesetzte Sichtung wandernde Wellen in einem Eesonanzhohlraum mit nur geringfügig unterschiedlichen Frequenzen aufeinander zu gezogen werden, und sich zu einer stehenden Welle mit einer Frequenz kombinieren. Daraus ergibt sich, daß für geringe Drehgeschwindigkeiten des Binglasers, bei denen die Frequenzdifferenzen zwischen den beiden entgegengesetzten Hoden sehr klein sind, die Wellen zusammengezogen werden, so daß die

909848/0731

16.3.1979 V/Be "- 5 - Vp 9711

Schwebungsfrequenz sich nicht ändert und das Gyroskop unempfindlich gegen niedrige Drehgeschwindigkeiten ist. Sie Einflüsse des Hitziehens sind im einzelnen in Laser Applications, Honte Boss, Academic Press, Inc., New York, 1971 la dem Aufsatz "Ihe Laser Gyro" von !Frederick Aronowitz, Seiten 133-200, 'beschrieben·

Es ist bekannt, daß die Hauptursache des Mitziehkoppeins die wechselseitige Streuung von Energie aus jedem der Strahlen in die Sichtung des anderen ist. Diese wechselseitige Streuung oder Bückstreuung ist im einzelnen in Aronowitz (siehe oben), Seiten 148-153 erläutert. Die Dif.ferenzfrequenz zwischen zwei in entgegengesetzter Sichtung fortschreitenden Vellen in einem Bipglaser ist durch die Gleichung

γ - a + b · sin Y

gegeben, wobei f die augenblickliche Phasendifferenz zwischen den sich in entgegengesetzter Sichtung ausbreitenden Vellen & proportional der Drehgeschwindigkeit des Binglasers, und b_ proportional der Größe der ruckgestreuten Energie ist.. Venn a, kleiner als b_ ist, wird die Schwebungsfrequenz gleich IFuIl und der Eingläser wird mitgezogen. TM einen Gyroskopausgang zu erhalten, der der Drehung des Einglaserkörpers entspricht, muß a, größer als b sein.

Eine Möglichkeit, um das Mitziehen zu eliminieren, besteht darin, den Einglaserkörper mechanisch in Schwingungen zu versetzen. Dadurch, daß der Laser in Schwingungen versetzt wird bzw· Zitterbewegungen ausfuhrt, wird dem Gyroskop eine Drehgeschwindigkeit so überlagert, daß über den größten !Teil der Zeit a größer als b ist, und die Einflüsse von b_ außerordentlich klein sind oder eliminiert werden. Ein Gyroskop, das mechanische Zitterbewegungen verwendet, ist in DE-OS 27 49 125 erläutert.

909840/0731

16.3.1979 V/Be -"-6- L/p 9711

Eine weitere Möglichkeit, dieEinflusse des Mitziehens sehr ge-

ring zu halten, besteht darin, eine gerichtete Zitterbewegung des Magnetfeldes einer Faradayschen Zelle zu erzeugen, die inner-

halb eines Ringlaserpfades angeordnet ist. Innerhalb des Ring-

laserhohlraumes werden linear polarieierte Laserwellen in kreis-

X försig polarisiertes Licht umgewandelt, dessen Vektor in der

gleichen Richtung wie die Wicklungen in der Faraday!sehen Zelle

rotiert. Den kreisförmig polarisierten Lichtwellen wird durch das magnetische Feld entgegengewirkt, wenn die Lichtquellen die

■ Faradaysche Zelle durchlaufen, und es wird eine Zunahme oder Abnahme der Länge des optischen Pfades erhalten, je nach der Richtung des Feldes und der Richtung, in der Wellen wandern. Nach Verlassen der Faradayschen Zelle wird das kreisförmig polarisierte licht in linearpolarisiertes Licht zurückverwandelt· Dadurch, daß der Strom in den Wicklungen der Faradayschen Zelle schwingt, schwingt das magnetische Feld entsprechend und verändert die Längen des optischen Pfades der entgegengesetzt fortschreitenden Welle in nichtreziproker Weise. Dies kann auch dazu verwendet werden, um in obiger Gleichung a_ größer als b_ zu machen, so daß die Einflüsse des Mitziehens minin»al gehalten werden. Dieses magnetische Zittern unter Verwendung einer Faradayschen Zelle ist in der oben angegebenen Literaturstelle von Aronowitz auf den Seiten 157-159 erläutert.

Die vorbeschriebenen Gegenmitzieh-Techniken sind passiv, d.h. sie hängen nicht von aktiven Laserverstärkungsmedienab. Bei diesen Methoden sind die Einflüsse auf Wellen, die in einer Richtung im Laserpfad fortschreiten, gleich und entgegengesetzt den Einflüssen auf die Wellen, die in der entgegengesetzten Richtung wandern.

Zur Erläuterung werden die beiden entgegengesetzten Resonanz moden in einem Ringlaserhohlraum, die kombiniert werden und

eine Drehinformation ergeben, als ^NPrimärmoden^N bezeichnet.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Mitziehen zwischen in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Primärmoden in einem

9098A8/0731

ft · »

16.5.1979 V/He -7- Vp 9711

Binglaserhohlraum dadurch, so gering wie möglich zu halten, daß zusätzliche Hoden in den Singlaserhohlraum eingeführt werden. Diese zusätzlichen Hoden oder ⁿSekundärmoden^R schwingen mit Frequenzen, die verschieden von denen der Primärmoden sind, und sind mit den Prinärmoden über das I&serverstärlcangsmedium gekoppelt, damit ein Gegenmitzieheffekt erzeugt wird.

Dies wird gemäß der Erfindung mit einer Binglaser-Gyroskopanordrrang erreicht, die gekennzeichnet ist durch einen Binglaserkörper mit reflektierenden Oberflächen, die einen optischen Pfad mit geschlossener Schleife ausbilden, eine Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung wenigstens zweier im optischen Pfad entgegengesetzt fortschreitenden primären Resonanzwandlermoden, wobei Frequenzunterschiede zwischen den Primärmoden der Vinkelbewegung entspre- · chen, die der Binglaserkörper erfährt, eine Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung wenigstens einer sekundären Resonanzwandlermode, die im Pfad fortschreitet und mit wenigstens einer der Primärmoden gekoppelt ist, wobei die Einflüsse des Mitziehens verringert oder beseitigt werden, und eine Vorrichtung zur Verarbeitung der Freuuenzunterschiede zwischen den Primärmoden, um Signale zu erzeugen, die der Vinkelbewegung des Einglaserkörpers entsprechen.

Weitere Merkmale der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche·

Bei einer speziellen Aasführungsform der Erfindung werden vier Sehwingu&gsresonanzmoden im Einglaserhohlraum erzeugt. Diese vier Koden können dadurch erzeugt werden, daß der Laserhohlraum verstimmt wird, so daß die beiden Primärmoden mit einer Frequenz arbeiten, die etwas aus der Mitte der Laserverstärkungskurve versetzt ist, während zwei schwächere Sekondärmoden mit Frequenzen schwingen, die auf der Verstärkungskurve nur etwas über dem Schwellwert liegen. Der Schwellwert wird als der Bereich auf der Verstärkungskurve definiert, in welchem eine Resonanzmode im Laserverstärkungsmedium beginnt, um verstärkt zu werden. Die Sekundaritode werden über das aktive Verstärkungsmedium gekoppelt, wobei die

909848/0731

16.3.1979 W/He ¹^ & '"''"' '' '"' L/p 9711

beiden starken Hoden einen Zittereffekt bei γ erzeugt werden. Dieser Zittereffekt, der bei y als Ergebnis der Kopplung der schwachen und starken Hoden erzeugt wird, wirkt der Hitziehkomponente der Gleichung entgegenmd verringert oder eliminiert sie.

Eine weitere Ansführungsform der Erfindung sieht vor, daß eine Störschwingung aus einer externen Laserquelle eingeführt wird. Zwei Laserstrahlen können in den Ringlaserhohlraum eines Ringlasers mit zwei Hoden injiziert werden. Die injizierten Hoden, j von denen jede in einer anderen Richtung wandert, erfahren eine Verstärkung aus dem Lasermedium und werden somit mit zwei Primär- U moden gekoppelt, die im Ringlaser erzeugt werden. Diese injizier- | ten Hoden, deren Frequenzen verschieden von denen der Priiuärmoden sind, werden mit den Primärmoden gekoppelt, so daß ein Zittereffekt in der Differenzfrequenz erreicht wird. Das Zittern verringert oder eliminiert die Kopplung zwischen den beiden in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Primärmoden, wodurch | entsprechend das Hitziehen verringert oder eliminiert wird. |

Eine zusätzliche iusführungsform der Erfindung besteht darin, daß |] ein Teil einer der in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden |j Wellen des Ringlasers als externe Quelle verwendet wird. In diesem ψ. Fall, bei dem zwei Primärmoden im Ringlaser eine ausreichende Yer- ty Stärkung haben, um zu schwingen, wird ein Teil einer Mode aus dem 'ά Pinglaserhohlraum, über einen teilreflektierenden Spiegel extrahiert«1

Der extrahierte Teil wird durch Dopplereffekt verschoben, damit »eine Resonanzfrequenz geändert und geschwächt wird, und wird dann zurück in den Ringlaser injiziert. Dieser durch Dopplereffekt verschobene Hode, der eine etwas andere Frequenz hat, wird mit dem ursprünglichen Primärmode kombiniert, und ergibt einen Zittereffekt| der das Hit ziehen verringert.

909846/0731

2920421 16.3,1979 V/He -V- Vp 9711

V

Veiter wird mit Torliegender Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, mit der Seile der Hauptmoden kombiniert werden, um Signale zu erzeugen, die der Geschwindigkeit und Drehrichtung des Lasergyroskope entsprechen· Porner sieht die Erfindung eine Einrichtung zur überwachung und Optimierung der Hohlraumlange des Iesergyroskops vor, so daß die Besonanzmoden mit der gewünschten frequenz auf der Verstärkungskurve oszillieren·

909848/0731

16.5.1979 W/He . ₁₀ - " L?P 9711

Nachstehend wird die Erfindung in Verbindung mit der Zeichnung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des erfindungsgemäßen Rinrlasergyroskops, bei dem die Hohlrauirlängensteuerschaltung die Hohlraumlänge so einstellt, daß zwei starke Primärmoden und zwei schwächere Sekundärmoden im Verstärkungsnedium erzeugt werden,

Fig. 2 und 5, wie die optische Frequenz des Resonanzhohlraumes so abgestimmt werden kann, daß die Resonanzwellen im Kohlraum an gewünschten Stellen auf der Laserverstärkungskurve arbeiten,

Fig. 4, wie ein Laserhohlraum verstimmt wird, damit schwächere

Sekundärmoden mit stärkeren Primärmoden gekoppelt das Mitziehen, zwischen zwei entgegengesetzten Primärmoden verringe:

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ringlasergyroskops, wobei Sekundärmoden durch eine äußere Laserquell« erzeugt und in den Resonanzhohlraum injiziert werden, um sie mit den entgegengesetzten Primärmoden zu koppeln, und

Fig. 6 eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Ringlasergyroskops, wobei ein Teil einer Primärmode von einem Ringlaserresonanzhohlraum extrahiert, durch Eopplereffekt in der Frequenz verschoben, und dann erneut in den Hohlraum injiziert wird, um ihn mit einer Primärmode zu koppeln.

Wie vorstehend ausgeführt, ist die Differenzfrequenz oder Schweiz bungsfrequenz, die sich Kombinieren der beiden primären, entgegengesetzten Resonanzmoden innerhalb eines Ringlaserhohlraums ergibt, durch die Gleichung

f-.i ·

': Y = a + b sin ^f

bestimmt, wobei ^ die augenblickliche Phasendifferenz zwi-schen

t 909848/0731

16.3.1979 W/He —'11'- " ' ' * *£/p 9711

den entgegengesetzt wandernden Wellen, a proportional der Rotations geschwindigkeit des Ringlasergyrοskops, und b proportional der Gröfi der ruckgestraiilten Energie ist. Der Ausdruck "b sin Y " stellt die Kopplung dar, die sich aus der Rückstreuung ergibt. Für kleine Drehgeschwxndxgkeiton ist a_ grö-ßer als_b, und Ϋ geht nach Null. In diesem Fall wird das Ringlasergyroskop mitgezogen und ergibt keinen Ausgang, der der tatsächlichen Drehung entspricht. Somit arbeitet bei kleinen, endlichen Drehgeschwindigkeiten der Ring- \. laser nicht gut als Gyroskop.

Durch physikalische Maßnahmen am Ringlaser, mit deren Hilfe erreicht wird, daß die Schwebungsfrequenz sinusförmig gestört wird, wird ein zusätzlicher zeitändernder Faktor der obigen Gleichung hinzugefügt, so daß die Gleichung dann lautet

γ = a + b sin y+c.cos tvt

In der neuen Gleichung stellen c und die-Amplitude und die Frequenz der bei der Differenzfrequenz aufgegebenen Störung dar.

Löst man diese Gleichung nach ψ (t) auf, ergibt eine gute Annäherung die Gleichung

r (t) = at - I J₀ (§) cos (at)

Wenn die Werte von c und oJ so gewählt werden, daß J = Null,
reduziert sich diese Gleichung auf

V (t) = at

und der Mitziehausdruck der ursprünglichen Differenzfrequenzgleichung wird eliminiert. In der folgenden Erläuterung der Erfindung wird ein derartiger zusätzlicher Störeffekt der Differenzfrequexi:·; dadurch erreicht, daß zusätzliche Moden oder Frequenzen in den .ftinglaserhohlraum eingeführt werden, die mit den Primärresonanzmoden gekoppelt sind. Der Einfluß dieser zusätzlichen

909848/0731

16.5.1979 W/He - 12 - L/p 9711

Störwellen oder Sekundärmoden wird durch Hinzufügen des Ausdruckes^ c cos üit in der vorstehend erläuterten Weise "be schrieb en. Durch *J Steuerung der Größe und Frequenz der Sekundärmoden können die Aus-i| drücke c und *» so manipuliert werden, daß sie das Mitziehen im i Hinglasergyroskop verringern. §

Hg. 1 zeigt ein Ringlasergyroskop 2. Der Laserkörper 4- "besteht
aus Quarz, und ein abgedichteter Hohlraum 6 innerhalb des Laserkörpers ist mit 90% Helium und 10% Neon gefüllt. Zwei Anoden 8
und 10 sowie zwei Kathoden 12 und 14 sind mit dem Hohlraum 6 verbunden. Das Gasgemisch in den Räumen des Hohlraumes zwischen der ^ Kathode 12 und der Anode 8 sowie der Kathode 14- und der Anode 10 | ist elektrisch geladen, so daß ein Gasplasma vorhanden ist, das | als Verstärkungsmedium zur Erzeugung und Verstärkung der Resonanz-;?; lasermoden innerhalb des Hohlraumes 6 dient. Drei dielektrische % Spiegel 16, 18 und 20 sind an den drei Ecken des dreieckfönmigen V, Resonanzhohlraumes 6 angeordnet. Diese Spiegel weisen Mehrfach- /j schichten aus dielektrischen Überzügen auf, die an sich bekannt j-j sind. %

Der Spiegel 20 ist ein teilreflektierender Spiegel, der gestattet,| daß ein kleiner Teil der Ringlaserwellen, die auf ihn auf treffen, j| durch den Spiegel gelangt. SLIe der beiden in Gegenrichtung fort- 'S schreitenden Primärmoden, die im Hohlraum 6 längs des durch die | Linie 22 angegebenen Pfades wandern, gelangen durch den Spiegel
und werden in einer prismenartigen Vorrichtung in der Kombinierund Photodetektoranordnung 2J kombiniert, damit ein Streumuster
entsteht. Dieses Streumuster wird durch fotoempfindliche Detektoren aufgenommen, und die darin erzeugten Signale werden über Leiter 24· an eine logische Datenreduzierschaltung 26 übertragen, die Geschwi: digkeit und Richtungssinn der Drehung bestimmt. Eine detaillierter Erörterung der Kombination von in entgegengesetzter Richtung fort-jj schreitenden Wellen und der Verarbeitung der daraus erhaltenen Information ergibt sich aus der vorgenannten Literatürsteile, Seiten 139 bis

809848/0731

16.5.1979 V/He - 13 - L/p 9711

Die Laserstrahlfrequenz wird durch Veränderung der Hohlraumlänge, d.h. des Abstandes, den die Lasermoden zur Vervollständigung eine: vollen Schleife um den Pfad 22 zurücklegen, gesteuert. Es ist erwünscht, die Hohlraumlänge so einzustellen oder abzustimmen, daß die Moden, die innerhalb des Hohlraumes in Resonanz kommen, in der Mitte der Intensitatsverteilungskurve"(Verstärkungskurve) für das jeweilige Laserverstärkungsmedium liegen. Um die Hohlraumlänge ein zustellen, ist der Spiegel 16 an dem Laserkörper 4- so befestigt, daß er sich nach innen und außen bewegen kann. Mit der Rückseite des Spiegels 16 ist ein Stapel von piezoelektrischen Elementen verbunden. Die Hohlraumlängensteuerung wird dadurch erzielt, daß der Spiegel 16 durch Anlegen einer Wechselspannung an die piezoelektrischen Elemente 28 zum Schwingen bzw. Zittern gebracht wird. Wenn der Spiegel 16 mit einer bestimmten Frequenz schwingt, ändert sich das Inten-sitätssignal, das in der Photodetektoranordnung 23 erzeugt wird, entsprechend und wird über den Leiter 30 an eine Steuerschaltung 32 für die Hohlraumlänge mit geschlossener Schleif übertragen. Diese Schaltung bestimmt, wo die Resonanzmoden im Hohlraum längs der Verstärkungskurve angeordnet sind, und stellt die Nennhohlraumlänge dadurch ein, daß das elektrische Gleichstromsignal, das über den Leiter 34 an die piezoelektrischen Elemente 28 gegeben wird, vergrößert oder verringert wird. Eine eingehende Erörterung dieser Schaltungsart ist dem NASA-Report Nr. CR-1322'61 "Design and Devlopment of the AA13OOAbO2 Laser Gyro", verfaßt von T.J. Podgorski und D.N. Thymian, 1973, Seiten 10 und 11, zu entnehmen.

Für die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 wird das Zittern der Differenzfrequenz zwischen den in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Primärmoden im Hohlraum durch Verstimmen der Hohlraumlänge erreicht. Beispielsweise ist in Fig. 2 die Laserverstärkungskurve 44, d.h. die Intensitätsverteilung des im Laserverstärkungsplasma emittierten Lichtes in Abhängigkeit von der optischen Frequenz dieses emittierten Lichtes gezeigt. Wie bekannt können nur bestimmte Frequenzen innerhalb des Ringlaserhohlraumes in Resonanz kommen, d.h. verstärkt werden. Der Frequenzabstand

909848/0731

16.3.1979 W/He - 14 - L/p 9711

zwischen diesen Sesonanzmoden wird durch die Lichtgeschwindigkeit (c) dividiert durch die Pfadlänge (L), oder den Abstand, den eine Welle zurücklegt, wenn sie eine volle Schleife um den Laserpfad ausfuhrt, bestimmt.

! In Fig. 2 stellen die Linien 36 und 38 die Hoden im Ohrzeigersinn und im Gegenuhrzeigersinn dar, die bei einer bestimmten Frequenz f vorhanden sind, wenn der Singlaserhohlraum auf die Mitte der Ver- : Stärkungskurve 44 abgestimmt ist. Die Linien 40 und 42 sowie die Linien 46 und 48 stellen die nächstkommenden Hoden auf der optischen Frequenzskala dar, die auch innerhalb des Hohlraumes vorhanden sein können, mit der Ausnahme, dafi kein Verstärkungsmedium vorgesehen ist, das diese anderen Hoden innerhalb des Hohlraumes verstärkt. Der Intensitätspegel, der durch die gestrichelte Linie 50 dargestellt ist, bezeichnet den Schwellwert oder den Pegel, über welchem das LaserverstärkungsKedium die Resonanzwellen innerhalb des Hohlraumes verstärkt.

Für die Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 1 wird eine Verstimmung der Hohlraumlänge dadurch erreicht, daß die Gleichstrom- komponente des elektrischen Signals an den piezoelektrischen Elementen 28 eingestellt wird, so daß die Hohlraumlänge verstimmt wird, damit die Hauptmoden 36 und 38 aus der Mitte der Verstärkungskurve verschoben werden. Es muß eine ausreichend große Verstimmung vorgenommen werden, damit Sekundärresonanzwellen, die über dem Schwellwert schwingen, in den Besonanzhohlraum 6 eingeführt werden können. Fig. 3 zeigt, wie die Hohlraumlänge eingestellt wird, damit Resonanzmoden 36 und 38 aus der Hitte der Verstärkungskurve 44 genügend weit verschoben werden, damit Sekundärwellen 40 und 42 etwas über Schwellwert auf der Verstär kungskurve schwingen können.

Sie Sekundärmode 40, die im Hohlraum im Uhrzeigersinn fortschrei-

$ tet, wird nunmehr mit der stärkeren Primärmode 36 gekoppelt, die

im Hohlraum 6 über dem Schwellwert und in der gleichen Sichtung

fortschreitet. Dies bewirkt einen Zittereffekt auf den f Ausdruck

8093A8/0731

16.3.1979 W/He - 15 - L/p 97U

2320429

in der Differenzfrequenzgleichung. In gleicher Weise wird die Sekundärmode 42 in Gegenuhrzeigerrichtung mit der Primärmode 38 kombiniert, um einen Zittereffekt zu erreichen. Die Effekte der Störmoden 40 und 42 werden durch den Ausdruck c cos ¹^t in obiger Gleichung bestimmt. Durch Einstellung der Intensität längs der Verstärkungskurve der Moden 40 und 42 wie auch der Frequenz, bei der sie oszillieren, können c_ und ω in der Gleichung gesteuert werden, um die Einflüsse des Mitziehens zu verringern, wie vorstehend erörtert wurde.

KLg. 4 ist eine graphische Darstellung, die zeigt, wie eine Verstimmung die Verriegelungsfrequenz zwischen den Primärmoden 36 und 38 in einem speziellen Beispiel beeinflußt. Die Verstimmung wird als Abstimmung der Pfadlänge am Ringlaser in der Weise definiert, daß die optische Frequenz der Primärmoden aus der Mitte der Verstärkungskurve geändert wird. In fig. 4 war das Mitziehen praktisch für einen Fall eliminiert, wenn die Hohlraumpfadlänge soweit verstimmt war, daß die Primärmoden 150 MHz aus der Mitte der Verstärkungskurve lagen.

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Fig· 5 gezeigt. Diese Ausführungsform zeigt einen Ringlaser mit zwei Moden ähnlich dem Ringlasergyroskop nach Fig. 1· Es ist ein abgedichteter Hohlraum ^2 vorgesehen, der 90% Helium und 10% Neon enthält, was bei elektrischer Erregung zwischen den Anoden 54 und den Kathoden 56 das Laserverstärkungsmedium darstellt. Teile der beiden in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Primärwellen im Hohlraum werden über einen teiltransparenten dielektrischen Spiegel 58 in eine Kombinier- und Photodetektoranordnung 60 eingeführt, wo Signale erzeugt und auf eine logische Datenreduzierschaltung 62 übertragen werden. Ein Wechselstromsignal, das in der Steuerschaltung 66 für die Hohlraumlänge erzeugt wurde, wird in einen piezoelektrischen Stapel 68 eingeführt, der den Spiegel 70 zum Zittern und damit die Hohlraumlänge des Gyroskops zum Schwingen bringt. Intensitätseignale aus der Kombinier- und Photodetektoranordnung werden über den Leiter 64 an die Steuerschaltung 66 für die Hohlraumlänge übertragen, änderungen des Intensitätssignals aufgrund

809848/0731

>·#· ti· III

··· III·· III

• I*··· I I» I ···

¹ > · # ti in · ··

16.3.1979 W/He - 16 - L/p 9711 \

von Schwingungen des piezoelektrischen Stapels 68 werden in der Hohlraumlängensteuerschaltung 66 verarbeitet. Sie Gleichstrom,- ·.; komponente des an den piezoelektrischen Stapel längs der Leitung "\ 72 übertragenen Signales wird so eingestellt, daß die Hohlraumlänga für maximale Intensität der darin in entgegengesetzter Richtung fortschreitenden Wellen opiämiert wird. Im Gegensatz zu dem Aasführungsbeispiel nach Fig. 1 wird hierbei die Hohlraum- j längs so eingestellt, daß die Resonanzmoden in der Hitte der Ver- ] stärkungskurve arbeiten. '\

Bei der Aasführungsform nach Fig. 5 werden störende sekundäre % Wellen bei Frequenzen, die verschieden von denen der Primärresonanz« moden im Lasergyroskop sind, aus einer externen Quelle eingeführt. § Sie externe Quelle ist in diesem Falle ein linearer Laser 74 mit zwei Hoden. Zwei getrennte Hoden, die in dem linearen Laser 74- erzeugt werden, wandern kolinear zu dem Dispersionselement 76. Serartige Sispersionselemente sind in der Technik bekannt und können ein Gitter für das Zerlegen unterschiedlicher Frequenzen in unterschiedliche Anteile aufweisen. Nach dem Durchlaufen des Dispersions« elementes 76 wird eir« > Sekundärmode 78 zum dielektrischen Spiegel 80 aufgebrochen, wo sie zum teilweise übertragenden Spiegel 82 reflektiert wird. Beim Durchlaufen des Spiegels 82 tritt die Hode 78 ι in den Ringlaserhohlraum 52 in Uhrzeigerrichtung ein und wird mit % der in Uhrzeigerrichtung wirksamen Primärmode, die im Hohlraum erzeugt wird, gekoppelt.

Die Sekundärmode 84 wird durch das Dispersionselement 76 zum Spiegel 86 und dann durch den Spiegel 82 abgelenkt. Sie tritt in den Hohlraum 52 ein, wobei sie in Gegenuhrzeigerrichtung wandert, und wird mit der in Gegenuhrzeigerrichtung wirksamen Primärmode gekoppelt.

Ser Störeinfluß der Sekundarmoden, der in den Hohlraum eingeführt wird, ist in der Differenzfrequenzgleichung durch den Aasdruck c cos ω t gegeben. Sie Differenzfrequenz zwischen den Sekundärmoden 78 und 84 wird durch ti) dargestellt. Ser Amplitudenteil c_ ist

9098 48/0731

• •ft« ·

16.3.1979 W/He - 17 - Vp 9711

proportional der Große der Signale 78 und 84 und der Große der Differenzfrequenzen zwischen den Sekundär- und Primärmoden im Hohlraum. Sie iiÜLrücke c_ und uJ können deshalb so beeinflußt werden, daß sie das Mitziehen verringern, indem die Durchlässigkeit des Spiegels 82 und die Frequenz und Größe der in dem Linearlaser 74 erzeugten Signale gesteuert werden·

ELg. 6 zeigt eine dritte iusführungsform der Erfindung. Diese Aasführungsform enthält ein dreieckförmiges Einglasergyroskop ähnlich den Binglasern nach den figuren 1 und 5. Die Hohlraumlängen-Stsuerschaltung stellt den piezoelektrischen Stapel so ein, daß die Intensität des Einglasergyroskop-ausgar.ges ein MaxL-mum wird. Die zwei entgegengesetzten Hoden, die im Hohlraum längs des Pfades 22 fortschreiten, haben Frequenzen, die im wesentlichen auf die Hüte der laserverstärkungskurve 44 der figuren 2 und 3 abgestimmt sind.

Bei der Einrichtung nach Fig. 6 wird eine Stör-Sekundärmode in den Einglaserhohlraum eingeführt und mit der im Gegenuhrseigerainn fortschreitenden Primärmode gekoppelt. Um die Sekundärmode zu erhalten, wird ein Seil der im Gegenuhrxeigersinn fortschreitenden Mode im Pfad 22 durch den teilübertragenden dielektri sehen Spiegel 88 geführt. Diese übertragene Welle 102 gelangt dann durch einen Sichtungsisolator 90. Solche Eichtungsisolatoren sind in der Technik bekannt und arbeiten in der Weise, daß sie den Polarisationswinkel der sie durchlaufenden Wanderwellen ändern. Die Mode 102 trifft auf den dielektrischen Spiegel 92, der mit einem piezoelektrischen Stapel 94 verbunden ist. Eine Wechselspannung wird mit einer ausgewählten frequenz an dem piezoelektrischen Stapel 94 aus der Schwingschaltung 104 ausgewählt und bewirk daß der Spiegel 92 schwingt. Diese Schwingung ihrerseits verschieb durch Dopplereffekt die frequenz der Mode 102, so daß nach ihrer Ablenkung von dem dielektrischen Spiegel 98 und ihrer erneuten Einführung durch teilübertragenden Spiegel 83 in den Einglaserpfad die frequenz der Schwingung relativ zu der Primärmode, aus welcher sie entnommen war, geändert wird. Diese durch Dopplereffekt verschobene Mode wird bei einem Wieder eintreten in den

909848/0731

16.5.1979 Vytee - 18 - Vp 9711

Pfad 22 mit der in Gegenuhrzeigerrichtung fortschreitenden Primärmode gekoppelt, damit ein Gegen-Mitzieh-Zittereffekt auf ·}' in der vorbeschriebenen Weise erzielt wird.

Die Große des durch Dopplereffekt verschobenen Signale«* 102, das wieder in den Hohlraum eingeführt wird, wird in dsr Differenjj» frequenzgleichung durch c_ dargestellt. Der Ausdruck c_ kann durch Steuern der Größe von 102 gesteuert werden. Möglichkeiten zur Steuerung dieser Größe umfassen die Steuerung der Durchlässigkeit des teilübertragenden dielektrischen Spiegels 88. Der irisdruck ω in der Differenzfrequenzgleichung entspricht der Schwingungsfrequenz, die auf den piezoelektrischen Stapel 94- übertragen wird. Dieser Ausdruck kann auf einfache Weise dadurch gesteuert werden, daß die Frequenz der in der Schaltung 104 erzeugten Schwingung verändert oder gesteue* wird. Durch Steuerung der Größe und Frequenz der Schwingung der Mode 102 beim Wiedereintreten in den Laserhohlraum und bei Kopplung mit der im Gegenuhrzeigersinn fortschreitenden Primärmoda können somit die Einflüsse des Mitziehens wesentlich verringern.

Ein Polarisator 96, der im Pfad der Mode 102 vorgesehen ist, gestattet auf effektive Weise, daß Strahlen eines Polarisationssinnes durchgehen, wahrend Strahlen mit unterschiedlicher Polarisation "blockiert werden. Der Polarisator 96 wird so eingestellt, daß Strahlen hindurchgehen. Da der Eichtungsisolator 90 den Polarisationssinn der Mode 102 geändert hat, haben Teile der im Uhrzeigersinn fortschreitenden Primäimode, die durch den Spiegel 88 gelangen, eine unterschiedliche Polarisation, und weraen durch den Polarisator 96 ausgesperrt.

Die Erfindung ist nicht auf die vorbeschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt; es können beispielsweise rechteckförmige Einglaserpfade verwendet werden; es können anstelle der piezoelektrischen Stapel andere Vorrichtungen vorgesehen werden, um die dielektrischen Spiegel zum Schwingen zu bringen; weiterhin können andere Hohlraumlängensteuereinrichtungen verwendet werden; es kann auch völlig ohne Hohlraumlängensteuereinrichtung gearbeitet

909848/0731

16.5.1979 W/He - 19 - Vp 9711

werden, und es können ferner andere Vorkehrungen getroffen sein, um in entgegengesetzter Richtung fortschreitende Primärstrahlen zur Erzielung einer Rotationsinformation zu kombinieren und zu verarbeiten.

909848/0731

Claims

16.3,1979 W/He '"-1 - L/p 9711

Patentansprüche:

/ly Einglaser-Gyroskopanordnung mit einem in einem Gehäuse aufgenommenen Eingläser mit einem geschlossenen Laserstrahlpfad und mit in entgegengesetzter Sichtung fortschreitenden Laserstrahlen "bzw· Primärmoden, gekennzeichnet durch

einen Singlaserkörper (4) mit reflektierenden Oberflächen, die einen optischen Pfad(22) mit geschlossener Schleife ausbilden,

eine Vorrichtung (8, 12; 10, 14) zur Erzeugung und Aufrecht erhaltung wenigstens zweier im optischen Pfad (22) entgegengesetzt fortschreitenden primären Sesonanzwandlermoden (36, 38), wobei Frequenzunterschiede zwischen den Primärmoden (36, 38) der Winkelbewegung entsprechen, die der Einglaserkörper (4) erfährt,

eine Vorrichtung (18; 74-86; 88-104) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung wenigstens einer sekundären Sesonanzwandlermode (40, 42; 78, 84), die im Pfad (22) fortschreitet und mit wenigstens einer der Primärmoden (36, 38) gekoppelt ist, wobei aie Einflüsse des Mitziehens verringert oder beseitigt werden _t und

eine Vorrichtung (26; 62) zur Verarbeitung der Erequenzunterschiede zwischen den Primärmoden (36, 38), um Signale zu erzeugen, die der Winkelbewegung des Einglaserkörpers (4) entsprechen.

2. Einglaser-Gyroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (8, 12; 10, 14) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung von Primärmoden und die Vorrichtung (18; 74-86; 88-104) zur Erzeugung und Aufrechterhaltung wenigstens einer Sekundärmode ein elektrisch geladenes Gasplasmaverstärkungsmedium zur Erzeugung und Verstärkung der primären und sekundären Hoden (36, 38; 40, 42; 78, 84) sowie eine Vorrichtung (32; 66) zur Steuerung der Länge des optischen Pfades (22) für die Abstimmung der Länge des Pfades in der Weise, daß wenigstens zwei schwächere, in Gegenrichtung fortschreitende sekundäre Hoden (40, 42) und wenigstens zwei stärkere, in Gegenrichtung fortschreitende primäre Hoden (36, 38) erzeugt und im Verstärkungsmedium verstärkt werden,

909849/0731

16.3.1979 ^: ' ''" ^: '

wobei die sekundären Moden mit den primären Moden gekoppelt sind, um ein Mitziehen zwischen den primären Moden zu verringern, aufweist.

3. Einglaser-Gyroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung (18; 74-86; 83-1CW-) zur Erzeugung wenigstens einer sekundären Mode (40, 42; 78, 84) eine Vorrichtung (74) außerhalb des Ringlaserkörpers (4) zur Erzeugung wenigstens einer sekundären Mode (78, 84) mit einer Frequenz, die von der der primären Moden (36, 38) verschieden ist, und eine Vorrichtung (82) zum Einführen der externen Mode oder Moden im optischen Pfadd (22), um eine Kopplung mit wenigstens einer primären Mode (36, 38) zu erreichen, wobei eine Schwingung, die zwischen den sekundären und den primären Moden erzeugt wird, mit Zieheffekte zwischen den Primärmoden reduziert, aufweist.

4. Binglaser-Gyroskopanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Erzeugung und Aufrechterhaltung wenigstens einer sekundären Mode eine Vorrichtung (88) zum Extrahieren eines Teiles wenigstens einer der primären Moden (36, 38) aus dem geschlossenen Pfad (22), eine die Schwingungsfrequenz modifizierende Vorrichtung (92, 94, 104), die in dem Pfad (102) der extrahierten Mode angeordnet ist, um die Frequenz der extrahierten Mode zu modifizieren, und eine Vorrichtung (98) zum Einführen der frequenzmodifizierten Mode in den Pfad, um ihn mit wenigstens einer der Primärnoden zu koppeln, wobei die Kopplung eine Schwingung bewirkt, die ein Mitziehen zwischen den Primärmoden verringert aufweist.

5· Einglaser-Qyroskopanordnung nach Ansruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Vorrichtung (16, 28, 32) die Länge des optischen Pfades zur Abstimmung der Pfadlänge für die Steuerung der optischen Frequenz der primären Moden (36, 38) steuert.

Q0984S/O731