DE3049033C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ringinterferometer nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiges Ringinterferometer ist bekannt aus der nichtvorver­ öffentlichten DE 29 36 267 A1. Bei der dort beschriebenen Anord­ nung wird zur Messung der Drehung ein Lichtweg verwendet, der aus einer Monomode-Lichtleitfaser besteht, die zu einer Spule aufge­ wickelt ist und daher einen mehrfachen Umlauf des Lichts um eine Fläche ermöglicht. Die Messung der Drehung kann gestört werden durch Reflexionen und/oder Streuungen des Lichts, insbesondere an den Enden des Lichtweges. Derartige Störungen werden vermieden durch Verwendung von Polarisationsfiltern sowie von Licht, dessen Kohärenzlänge wesentlich kleiner ist als die Länge des Lichtweges.

Aus dem Hauptpatent DE 30 06 580 ist es weiterhin bekannt, die erwähnten Störungen dadurch zu vermeiden, daß der Lichtweg als doppelbrechende Mono­ mode-Lichtleitfaser ausgebildet wird. Die Kohärenzlänge des Lichts der Lichtquelle wird derart an den Laufzeitunterschied der Eigenwellen angepaßt, daß in dem Lichtweg depolarisiertes Licht entsteht. Bei einer solchen Anordnung sind zur Steigerung der Meßempfindlichkeit zusätzliche Polarisationsfilter oder so­ gar eine Anordnung zur Regelung der Polarisationsrichtung des verwendeten Lichts notwendig. Derartige Anordnungen sind in nachteiliger Weise technisch aufwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ring­ interferometer der eingangs genannten Art eine weitere Ausbildung anzugeben, bei der eine Depolarisierung des eingekoppelten Lichtes mit technisch einfach herstellbaren Mitteln erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeich­ nenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Zweckmäßige Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen zusammengestellt.

Ein Vorteil der Erfindung besteht darin, daß das Ringin­ terferometer weitgehend unempfindlich ist gegenüber nicht­ reziproken Phasenverschiebungen des Lichtes, die durch Stör­ einflüsse bedingt sind und nicht von der zu messenden Sag­ nac-Phasenverschiebung herrühren.

Die Erfindung wird im folgenden anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert.

Die Figur zeigt ein Ringinterferometer zur Messung absolu­ ter Drehungen unter Ausnutzung des Sagnac-Effektes, wobei in einen eine Fläche F ein- oder mehrmals umschließenden Lichtweg L, z. B. eine Lichtleitfaser, mittels eines op­ tischen Strahlenteilers T ₁ in beiden Umlaufrichtungen Licht einer Lichtquelle Q eingestrahlt wird. Das den Lichtweg L verlassende Licht wird in einem der optischen Strahlentei­ ler T ₁, T ₂ zur Interferenz gebracht und das entstandene Licht einem Photodetektor D zugeführt. Aus dessen (elektri­ schen) Ausgangssignal sind Sagnac-Phase bzw. die zu messen­ de absolute Drehrate ableitbar.

Mit Lichtleitfasern ohne bestimmte Doppelbrechung wird ein depolarisierender Lichtweg L dadurch hergestellt, daß in dem Lichtweg L ein Depolarisator DP ₂ eingefügt wird, wobei der Depolarisator aus diskreten optischen Bauelementen aufgebaut ist. Mit derart depolarisiertem Licht ist es möglich, das Ringinterferometer unempfindlich zu machen gegenüber nichtreziproken Phasenverschiebungen des Lichtes, die nicht von der Sagnac-Phasenverschiebung her­ rühren. Nichtreziproke Phasenverschiebungen, z. B. hervor­ gerufen durch ein externes Magnetfeld aufgrund des Faraday- Effektes, sind polarisationsabhängig. Wird daher in den Licht­ weg L depolarisiertes Licht eingestrahlt, so sind alle Po­ larisationszustände gleichmäßig vertreten, und folglich mitteln sich nichtreziproke Phasenverschiebungen aufgrund des Faraday-Effektes heraus. Zwischen die optischen Strah­ lenteiler T ₁, T ₂ kann ein weiterer Depolarisator DP ₁ eingefügt werden.

Der Lichtweg L wird durch eine einwelli­ ge Lichtleitfaser gebildet, welche die Grundwelle des Lichtes mit ihren beiden orthogo­ nalen Polarisationsrichtungen führen kann.

Um trotzdem eine zuverlässige Bestimmung der Drehrate si­ cherzustellen, ist es zweckmäßig, in den von der Lichtquel­ le Q zum Lichtweg L und vom Lichtweg L zum Phasendetektor D gemeinsam verlaufenden Strahlengang zwischen den Strahlen­ teilern T ₁ und T ₂ einen nicht dargestellten Polarisator ein­ zufügen, der dann im Zusammenhang mit der einwelligen Licht­ leitfaser als einwelliges Filter wirkt, wie dieses im einzel­ nen z. B. in DE-OS 29 06 870, DE-OS 29 34 794, DE-OS 29 41 618 beschrieben ist. Um trotzdem im Lichtweg L depolarisiertes Licht zu erzeugen, ist es zweckmäßig, den Polarisator zwischen Depolarisator DP ₁ und dem Strahlentei­ ler T ₂ anzuordnen.

Im folgenden werden Ausführungsformen von De­ polarisatoren beschrieben.

Bei mäßig kohärenten Lichtquellen, z. B. Lumineszenzdioden, sind depolarisierende Anordnungen mittels doppelbrechender Lichtwege (Lichtpfade) herstellbar. Derartige doppelbrechende Lichtwege besitzen für Licht zwei zueinander orthogonal polarisierte Eigenwellen, die verschiedene Laufzeiten durch die Anordnung besitzen. Wenn die Luftzeitdifferenz zwischen diesen beiden Eigenwellen des Lichtes mit Δτ bezeichnet wird, so sind Depolarisatoren dann herstellbar, wenn die Laufzeitdifferenz Δτ größer ist als die Kohärenzzeit τ _c des von der Lichtquelle Q ausgesandten Lichtes. Die Kohärenzzeit τ _c ist hier definiert als τ _c = 1/(2πΔ f), wobei Δ f die Spektral­ breite des von der Lichtquelle ausgesandten Lichts bedeutet, bezogen auf dessen Emissionsfrequenz. Ein Depolarisator ist beispielsweise dadurch herstellbar, daß von dem von der Lichtquelle Q ausgesandten Licht beide Eigenwellen des doppelbrechenden Lichtweges gleichmäßig ange­ regt werden. Ein doppelbrechender Lichtweg, der z. B. mit linear polarisierten Eigenwellen des Lichtes angeregt ist, wirkt dann depolarisierend, wenn das eingestrahlte Licht linear polarisiert ist und einen Polarisationswinkel von ungefähr 45° bezüglich der Hauptachsen des doppelbrechen­ den Lichtweges besitzt, oder wenn das eingestrahlte Licht zirkular polarisiert ist.

Faseroptische Realisierungen für depolarisierende Lichtwe­ ge werden in der DE-OS 30 06 580 beschrieben. Depolarisierende Lichtwege sind vorteilhafterweise auch durch doppelbrechende Kristalle realisierbar. Um von einer beliebigen Eingangspolarisation des Lichtes ein depolari­ siertes Ausgangssignal zu erhalten, werden zwei hintereinander angeordnete linear doppelbrechende Lichtwege verwendet, deren optische Hauptachsen an der Übergangsstelle zwischen den Lichtwegen um ungefähr 45° gegeneinander verdreht sind.

Spektral vielwellige Halbleiterlaser bzw. superstrahlende lichtemittierende Dioden haben eine Emissionsbreite von 1 THz bis 10 THz, entsprechend einer Kohärenzzeit von 0,015 bis 0,15 ps. Derzeit erhältliche Depolarisatoren bestehen beispielsweise aus zwei hintereinander angeordneten Plätt­ chen aus Kalkspat, die um 45° gegeneinander verdreht sind, wobei die beiden Plättchen eine Dicke von jeweils 4 bzw. 2 mm haben. Die beiden orthogonal zueinander polarisierten Eigen­ wellen haben in den beiden Plättchen jeweils eine Laufzeit­ differenz Δτ in der Größenordnung von mindestens 1 ps, so daß die depolarisierende Wirkung sichergestellt ist.

Die verwendeten Depolarisatoren sollten mindestens zu etwa 50% depolarisierend wirken, d. h., wenn hinter dem Depolarisator ein beliebiger Pola­ risator als Analysator angeordnet und die Polarisa­ tionsebene verändert wird, sollte die Lichtleistung um nicht mehr als 50% schwanken.

Claims (6)

1. Ringinterferometer,

• - bei welchem das von einer Lichtquelle (Q) emittierte Licht über eine strahlenaufteilende Anordnung in die beiden Enden eines Lichtweges (L) eingekoppelt wird, diesen in entgegen­ gesetzten Richtungen durchläuft, hernach in der strahlenauf­ teilenden Anordnung wieder vereinigt wird, dort interferiert und anschließend an einem Photodetektor (D) detektiert wird,
• - bei welchem im Lichtweg (L) eine Monomode-Lichtleitfaser angeordnet ist und
• - bei welchem das von der Lichtquelle (Q) ausgesandte Licht eine Kohärenzzeit τ _c besitzt, die wesentlich kleiner ist als die Laufzeit τ _L des Lichts durch den Lichtweg (L),

dadurch gekennzeichnet, daß in dem Lichtweg (L) zusätzlich zur Monomode-Lichtleitfaser ein Depolarisator (DP ₂), der aus diskreten optischen Bauelementen aufgebaut ist, angeordnet ist, wobei der Depolarisator (DP ₂) zumindest eine optische Hintereinanderschal­ tung von zwei optisch doppelbrechenden Elementen enthält, bei denen jeweils die beiden Eigenwellen des Lichts einen Laufzeit­ unterschied besitzen, der größer ist als die Kohärenzzeit τ _c des von der Lichtquelle (Q) ausgesandten Lichtes, und die optisch linear doppelbrechende Lichtpfade besitzen, deren optische Haupt­ achsen an der Übergangsstelle zwischen den Lichtpfaden um ungefähr 45° gegeneinander verdreht sind.

2. Ringinterferometer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die strahlenaufteilende Anordnung aus zwei Strahlenteilern (T ₁, T ₂) besteht und daß zwischen diesen ein weiterer Depolari­ sator (DP ₁) angeordnet ist.

3. Ringinterferometer nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem weiteren Depolarisator (DP ₁) und dem der Licht­ quelle (Q) nächstliegenden Strahlenteiler (T ₂) zusätzlich ein Polarisator angeordnet ist.

4. Ringinterferometer nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der weitere Depolarisator (DP ₁) und der Polarisator derart ausgebildet sind, daß Licht der Lichtquelle (Q) nach Durchgang durch den Polarisator und anschließend durch den Depolarisator (DP ₁) zu mindestens 50% depolarisiert ist.

5. Ringinterferometer nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Depolarisator (DP ₁, DP ₂) durch Verwendung optisch homogener doppelbrechender Kri­ stalle verwirklicht ist.