DE2700045C2 - Ringresonator für sich in einem durch Reflektoren bestimmten, in sich geschlossenen Ausbreitungsweg ausbreitende elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Ringresonator mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1. Derartige Ringresonatoren sind aus der US-Palcntschrift 3741657 bekannt.

In der US-Patentschrift 3741657 ist ein Laser-Gyroskop beschrieben, bei welchem in einem Luser-Ringresonator vier optische Wellen anrcghar sind, welche jeweils unterschiedliche Frequenz aufweisen, derart, daß ein Paar von Wellen im Uhrzeigersinn und das andere Paar von Wellen im Gcgcniihrzcigcrsinn in dem Ringresonator umlaufen. Die optischen Weglängen für die Wellen sind so gewählt, daß die Frequenzen des Wcllenpaares, welches in der einen Richtung, beispielsweise im Gegenuhrzeigersinn, umläuft, zwischen den Frequenzen desjenigen Wellenpaares gelegen sind, welches im entgegengesetzten Richtungssinn, also beispielsweise im Uhrzeigersinn umläuft.

Durch diese Beziehung der Frequenzen wird erreicht, daß bei einer Bewegung des Lascr-Ringrcsonators. beispielsweise bei einer Drehung des Systems um eine zu der Ebene des optischen Weges senkrechte Achse, Frequenzverschiebungen des einen, in der einen Richtung durch den Laser sich ausbreitenden Welienpaarcs

so auftreten, welche entgegengesetzt zu den Frequenzvcrschiehangen sind, welche die Wellen erleiden, die in der entgegengesetzten Richtung den Laser durchlaufen. Dies führt zu Änderungen des Frequenzabstandes zwischen den jeweils unteren Frequenzen je eines Welienpaarcs. welche entgegengesetzt zu der Änderung des Frequenzabstandes zwischen den jeweils oberen Frequenzen je eines Wellenpaares sind. Die Differenz zwischen diesen Änderungen ist im wesentlichen eine lineare Funktion der Drehgeschwindigkeit und die relative Richtung oder Polarität der Differenz zeigt die Drehrichtung an.

Wie der US-Patentschrift 3741657 zu entnehmen ist, erhält man den Abstand der Frequenzen bei bekannten Einrichtungen dadurch, daß in dem Ausbrcitungsweg für die Wellen eine Einrichtung mit Polarisationsdispersionsverhalten vorgesehen ist, welche einen Festkörpcr-Furaday-Rotator und einen Kristall-Rotator enthält. Der Kristall-Rotator hat die Gestalt eines anisotropen Mediums, welches die Art der Polarisation der ir. dem Ringlaser angeregten Wellen im wesentlichen auf die zirkuläre Polarisation beschränkt und außerdem eine jeweils unterschiedliche optische Weglange für die gemäß der Regel der reehien Hiiml zirkulär polarisierten Wellen beziehungsweise für die gemäß der Kegel der linken Hand zirkulär polarisierten Wellen bietet. Der Festkörper-Faraday-Rotator ist ein nicht reziprok wirksames Bauteil und prägt den Wellen jedes Polarisationssinncs, welche den Ringlaser in der einen Richtung und welche den Ringlaser in der entgegengesetzten Richtung

as durchlaufen, jeweils eine unterschiedliche Verzögerungszeil auf. Die Kombination des Krisiall-Koiainrs und des Festkörper-Faraday-Rolators führt zu dem oben erwähnten System von vier Frequenzen.

Ringresonaloren mil einer ein Polarisaiionsiüspcrsionsverhaltcn zeigenden Haueinheil arbeiten /war in vielen Fällen zufriedenstellend, doch bedingt die Verwendung eines Krisiall-Rotators und eines Fcslkörpcr-Faraday-

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Rotators eine Erhöhung der Verluste und der Streuung an den sich im Ringresonator ausbreitenden Wellen und führt eine lineare Doppelbrechung im Ringresonator ein, wodurch die Genauigkeit eines mit derartiger Einrichtung ausgerüsteten Laser-Gyroskops oder Laserkreisels leidet.

Aus der US-Patentschrift 3382759 ist es ferner bekannt, eine von der Ausbreitungsrichtung abhängige Phasendrehung der elektromagnetischen Wellen mittels einer Einrichtung zu erzeugen, welche das Laser-Verstärkermedium selbst enthält, so daß Streuungserscheinungen und Drifterscheinungen, weiche bei dem zuvor betrachteten, bekannten Ringresonator durch den Festkörpcr-Faraday-Rolator eingeführt werden, hier vermieden werden können.

Schließlich ist es aus der Veröffentlichung »Applied Optics«. Band 10, Nr. 1, Januar 1971. Seiten 220 und 221, bekannt, die durch Reflektoren bestimmten Ausbreitungsabschnitte des Ringresonators eines Laser-Gyroskops ii> zu dem Zwecke nicht in einer Ebene liegend auszubilden, daß die Poiarisationsanisotropien. welche durch die Reflexionen an den Enden der Ausbreitungswegabschnitte in einer Ebene eingeführt werden, durch die Polarisaiionsanisotropien ausgeglichen werden, die durch die Reflexionen am linde der Ausbreiuingswegabschnitte in der anderen Ebene verursacht werden. Dabei arbeitel dieses bekannte Laser-Gyroskop im Gegensatz zu dem eingangs betrachteten Laser-Gyroskop mit nur zwei Frequenzen der im Ringresonator angeregten elektromagnetischen Wellen.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, einen Ringresonator mit den Merkmalen des Oberbegriffes von Anspruch 1 so auszugestalten, daß eine Verminderung der Genauigkeit aufgrund von Streuerscheinungen und Drifterscheinungen in einem mit einem derartigen Ringresonator ausgerüsteten Gyroskop vermieden wird und die Verluste herabgesetzt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 angegebenen Merkmale ge'ö-st.

Es zeigt sich, daß durch die hier angegebene Ausbildung des Ringresonators ein Kristall-Rotati* wie er bei der eingangs beschriebenen, bekannten Konstrul,ion eingesetzt wird, vermieden wird und somit im Ringresonator ein Feststoff-Bauelement in Wegfall kommen kann, welches für Streuerscheinungen und Drifterscheinungen verantwortlich ist.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Ansprüche 2 bis 5. deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne an dieser Stelle den Wortlaut zu wiederholen.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Ringresonators.

Fig. 2A bis 2C Skizzen zur Erläuterung der Wirkungsweise des hier vorgeschlagenen Ringresonators,

Fig. 3A bis 3C Diagramme zur Erläuterung der Wirkungsweise des Systems nach Fig. 1 und

l-'ig. 4 eine schematische Abbildung einer anderen Ausführungsform eines Ringresonators.

Fig. 1 zeigt ein Laser-Gyroskop 9 mit einem Laser-Verstärkermedium 10. Im vorliegenden Falle handelt es sich um einen Helium-Neon-Laser mit folgender Gasniischimg:

8^JHe +0,48²²Ne +0,52²⁰Ne.

Der Laser-Ringresonator enthält eine gerade Anzahl von Reflektoren. In Fig. 1 sind sechs Reflektoren 12. -w 14, 16, 18, 20 und 22 dargestellt, welche in geeigneter Weise durch in Fig. 1 nicht gezeigte Konstrukiionsteile an der Oberfläche einer Plattform 23 befestigt sind und einen ingförmigen Weg für den Laserstrahl bilden. Es sei hier darauf hingewiesen, dall, wie im Zusammenhang mit Fig. 4 erläutert wird, ein ringförmiger Weg auch mit nur vier in geeigneter Weise orientierten Reflektoren gebildci werden kann. Zunächst sri jedoch ein System mit sechs Reflektoren betrachtet, um die grundsätzliche Wirkungsweise des Laser-Gyroskops zu ciiskutieren. Dabei sei der dem Ende 24 des Laser-Verstärkungsmediums 10 austretende Laserstrahl näher uetrachtct. Dieser Laserstrahl breitet sich in der + Z-Richuing (d.h. in Richtung der Längsachse des Laser-Verstärkungsmediums 10) durch ein isotropes Medium hindurch aus. welches vorzugsweise im wesentlichen von dem freien Raum gebildet wird und erführt eine erste Relkkiion an dem Reflektor 12. Die reflektierende Oberfläche des Reflektors 12 ist so ausgerichtet, daß der Laserstrahl in Vertikalrichtung über einen Abstand el, längs der + K-Richlung zu dem Reflektor 14 hingelenkt wird. Der Reflektor 14 nimmt mit seiner reflektierenden Oberfläche eine solche Lage ein, daß der auf ihn treffende Laserstrahl von dem Reflektor 14 aus in Horizontalrichtung über einen Abstand (I₁ längs der -,V-Richumg zu dem Reflektor 16 hin abgelenkt wird. Letzterer wiederum nimmt mit seiner reflektierenden Oberfläche eine solch·· Lage ein, daß der auftreffendc Laserstrahl von dem Reflektor 16 aus vertikal über einen Absland </, längs der - >'-Richlung zu dem Reflektor 18 hin gelenkt wird. Die reflektierende Oberfläche des Reflektors 18 ist so orientiert, da¹.¹ der auf diese Fläche t.effende Laserstrahl in Horizontafrichtung reflektiert wird und über einen Abstand </, hinweg längs der — .V-Richtung zu dem Reflektor 20 gelangt. Ls sei bemerkt, daß der von dem Ende 24 des I aser-Versiärkungsmediums 10 zu dem Reflektor 12 hin austretende Laserstrahl und der Laserstrahl, welcher von dem Reflektor 18 zu dem Reflektor 20 hinverläul't. aufeinander senkrecht stehen und eine gemeinsame Hor./ontalcbcnc 26 aufspannen. Die «1 Oberfläche der Plattform 23 ist zu der llorizontalcbenc 26 parallel. M.m erkennt daher, daß die Laserstrahlabschnitte zwischen den Reflektoren 12 und 14, 14 und 16 sowie 16 und 18 in einer Vertikalebene verlaufen.

Die Oberfläche des Reflektors 20 ist nun so orientiert, daß der auftrelfende Laserstrahl von hier aus zu dem Reflektor 22 hin abgelenkt wird, wobei der auftreffeiidc Strahl und der reflektierte Strahl in der Horizontalebene 26 liegen und miteinander eine Winkel von 60 Grad einschließen. Der Retlektor 22 hat bei dem vorliegend beschriebenen Ausführungsbeispiel nine konkave Rcllcxionsllüchc ui.i den durch das Lascr-Ver-Stärkungsmedium 10 fallenden Laserstrahl zu bündeln, li.h. die Anregung eines Resoiuinz-Transversalschwinuunusmodus zu unterstütLcn. Der Reflektor 22 ist dabei bezüglich seiner reflektierenden Oberfläche so ausge-

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richtet, daß der auftrcffcndc Laserstrahl wieder in Richtung der Längsachse des Laser-Verstärkungsmediums 10 reflektiert wird, «-ic aus Fig. I zu entnehmen ist, wobei der einfallende und der reflektierte Strahl in der Horizontalebene 26 verlaufen und miteinander einen Winkel von 30" einschließen. Der Abstand zwischen den Reflektoren 22 und 12 längs der +Z-Achse bet ragt d_x.

Es sei hier bemerkt, daß zum Zweck der Beschreibung die Wirkung einer !«(!"-Phasenverschiebung vernachlässigt wird, welche einer elektrischen Heldkomponente bei Reflexion an einem Reflektor aufgeprägt wird. Eine solche Betrachtungsweise ist im vorliegenden halle zweckmäßig, da der hier beschriebene Ringresonator eine gerade Zahl von Reflektoren im Ausbreitungswcg der Resonanzwellen enthält und sich daher die Wirkung der genannten Phasenänderungen bei einem Llnilauf der Wellen im Ringresonator aufheben.

ίο Betrachtet man wieder den Laserstrahl, welcher an dem Ende 24 des Laser-Verstärkungsmediums 10 austritt und längs der +Z-Achse verläuft, so sei '.!icsem Laserstrahl eine elektrische Fcldkomponente /·.', zugeordnet, welche parallel zur +.V-Achsc ausgerichtet ist und nach der Reflexion an dem Reflektor 12 parallel zu dieser Achse bleibt, jedoch nach der Reflexion des Laserstrahls an dem Reflektor 14 in Richtung der - V-Achse weist und hier mit E_x' bezeichnet ist. Dann wird auf Grund der Reflexion am Reflektor 16 diese l^;eldkomponente zu /·.",' und weist in Richtung der -.V-Achsc und schließlich wird die genannte l^;eldkomponentc auf Grund der Reflexion am Reflektor 18 zu der Komponente E\ und weist wieder in die Richtung der - K-Achsc. Danach bleibt diese Feldkomponcntc in dieser Orientierung bis zur Rückkehr zu dem Ende 24 des Laser-Vcrstarkungsmittels 10. Die Wirkung der Reflektoren 12 bis 22 ist es also, daß die betrachtete Komponente des elektrischen

:ii Feldes E_x um einen Winkel von ■-W um die Strahiaehsc. im viiiln-gC-mien !"all die + Z-Achsc gedreh! wird, so daß sie mit der elektrischen Feldkomponcntc /:', zusammenfällt.

Betrachtet man nun die in Richtung der + K-Achse weisende elektrische Feldkomponentc E₁ des aus dem Ende 24 des Lascr-Verstärkungsmittels 10 austretenden und sich in Richtung der +Z-Achse ausbreitenden Laserstrahls, so ist zu bemerken, daß diese Komponente durch den Reflektor 12 zunächst in Richtung der + Z-Achse gedreht wird und hier mit E\ bezeichnet wird. In dieser Orientierung blcihi diese Feldkomponcnte bei Reflexion des Laserstrahls an den Reflektoren 14. 16 und 18. Die Reflexion an dem Reflektor 20 bewirkt dann eine Drehung der hier betrachteten Feldkomponente in der .V-Z-Ebenc in einem Winkel von —30° gegenüber der Richtung der + .Y-Achse. Die Feldkomponente ist hier i?iu AT bezeichnet. Schließlich bewirkt

ι,, dann die Reflexion an dem Reflektor 22. daß die Feldkomponenie am Orte des Endes 24 des Laser-Verstärkungsmittels 10 in Richtung der +,Y-Achse weist und hier λ", /u bezeichnen ist. Man erkennt, daß die Reflektoren 12 bis 22 mit Bezug auf die Komponente /.', des elektrischen Feldes die Wirkung haben, daß sie diese Komponente um -90° um die Strahlachse drehen. Die Wirkung eines Umlaufs im Ringresonator kann also folgendermaßen angeschrieben werden:

E_x - Γ, = - L E₁ — E₁ = K_x

An Die Reflektoren 12. 14. 16. 18, 20 und 22 haben also die Wirkung, daß die Verteilung des elektromagnetischen Feldes von Wellen, die im Ringresonator umlaufen, in einer auf dem optischen Ausbreitungsweg der Wellen senkrechtstehenden Ebene um -90" gedreht wird. Die elektromagnetische Feldverteilung umfaßt sowohl die Intensität als auch die Richtung (d. h. die Polarisation oder den elektrischen Feldvcklor) einer elektromagnetischen Welle an einem Punkt im Räume. Weist beispielsweise die von dem Laser-Verstärkungsmedium 10 erzeugte clck-

J5 tromagnetische Welle in einer Ebene P eine Verteilung des elektromagnetischen Feldes auf. welche Linien 25 gleicher Intensität besitzt, die eine elliptische Form besitzen, wobei die große Hauptachse vertikal orientiert ist und die vertikal orientierten Komponenten des elektrischen Feldes mit 27 bezeichnet sind (Fig. 2A). so haben die Reflektoren 12 bis 22 die Wirkung, daß zum einen die Verteilung des elektromagnetischen Feldes so gedreht wird, daß die genannten Komponenten des elektrischen Feldes und die große Hauptachse der elliptischen Linien

si gleicher Intensität horizontal orientiert sind, wie in Fig. 2B gezeigt und das zum anderen die Feldverteilung verzerrt wird, was auf der Beugung und der konkaven Reflexionsflächc des Reflektors 22 beruht, wie in Fig. 2C gezeigt ist. Es ist darauf hinzuweisen, daß für eine Resonanz von Wellen, d.h. für einen stabilen Betriebsmodus des Ringresonators die betreffenden Wellen nach einem Umlauf durch den Ringresonator zu einem bestimmten Punkt wieder in der ursprünglichen Verteilung des elektromagnetischen Feldes zurückkehren müssen. Im allgemeinen jedoch bleibt weder die Gestalt der Linien gleicher Intensität noch die Polarisation (Richtung des elektrischen Feldes) in einer gegebenen Ebene unverändert, nachdem die Welle einmal in dem Ringresonator umgelaufen ist. Wellen mit einer Frequenz, welche eine Resonanzfrequenz sein kann, nehmen eine Intensitätsveneilung an. für welche die Beugung der betreffenden Wellen und die Fokusicrung durch den Reflektor 22 im Gleichgewicht stehen, so daß die Wellen, welche in Resonanz, angeregt werden, nach Durchlaufen des Re-

Wi sonators die gleiche Intcnsitätsverteilung besitzen. Nur bei zirkulär polarisierten Wellen ist aber die Bedingung erfüllt, daß ihre Polarisation nach einem Umlauf in dem Ringresonator wieder in die ursprüngliche Gestalt zurückkehrt. Die einzige, sich selbst erhaltende Verteilung des elektromagnetischen Feldes, welche in dem Ringresonator existieren kann, ist diejenige von Wellen mit zirkulärer Polarisation. Die Linien gleicher Intensität solcher Resonanzwellen nehmen eine Gestalt an. welche die Aufrcchicrhaltung solcher zirkulär polarisierten Wellen in

f.5 dem Ringresonator erlaubt. Hat die zirkuläre Polarisation solcher Wellen eine Komponente entsprechend der Regel der rechten I land. d.h.

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so besteht die Wirkung iIlt Reflektoren 12 bis 22 iliirin. diese Komponente 1'olgciulcrmal.Vn umzuformen:

Hierin bedeutet /. die länge des «ptisehen Weges um den gesamten King längs des Sirahlweges gemessen. Wenn dt/, zirkuläre Polarisation dieser Wellen einer Koinponenie entsprechend der Regel der linken Hand besitzt, d.h.

so wird diese Komponente bei einem UmIaIiI'in dem Ring folgendermaßen umgeformt:

Die relative Phasendifferenz /wischen den Komponenten mit dem Polarisaiionssinn entsprechend der Regel der linken Hand und entsprechend der Regel der rechten I land ist dann:

Es ist weiter zu beachten, dall die Reflektoren 12 bis 22 die Wirkung haben, daß sie die Phase der durch den Resonator laufenden Welle verändern, und zwar um + π/2 für Wellen mit Polarisation entsprechend der Regel der rechten Hand und um -π/2 für Wellen mit einer Polarisation entsprechend der Regel der linken Hand. Da die optischen Weglängen für die Wellen in dem Ringresonator gleich sind, da keine Welle sich durch ein Medium ausbreitet, welches diese optische Weglänge ändern würde (wobei der F.influß des Permanentmagneten 30 Xi vernachlässigt sei. um die Wirkungsweise der Reflektoren 12 bis 22 deutlicher zu beschreiben), bewirkt die Phasenanderung auf Grund der Wirkung der Reflektoren 12 bis 22 eine entsprechende Änderung der Resonanzfrequenzen dieser Wellen, wobei die Resonanzfrequenzen von Wellen mit unterschiedlichem Richtungssinn der Polarisation in entgegengesetztem Sinn geändert werden. Das Ergebnis ist, daß die Wellen mit einer Polarisation entsprechend der Regel der rechten Hand eine Resonanzfrequenz besitzen, welche von der Resonanzfrequenz der Wellen mit linkssinniger Polarisationsrichtung verschieden ist. Diese Wirkung wird bei Betrachtung einer Welle mit einem Polarisationssinn entsprechend der Regel der rechten Hand deutlich, wenn diese Welle folgenderieben 'Asrd:

£r = K,I?"*] = X ^cos (ßS-">')- Ϋsin (ßS -ιοί) -m

Hierin bedeuten X, Ϋ und '?. aufeinander senkrecht stehende Einheitsvektoren. S wird in Richtung der Ausbreitung der Welle gemessen. <u ist die Winkelgeschwindigkeit des elektrischen Feldvektors und /{= Inflc = 2π//.. worin /und λ die Frequenz beziehungsweise die Wellenlänge der betreffenden Welle bedeuten und ί· die Lichtgeschwindigkeit ist. <5

Um für eine solche Welle in einem Resonator eine Resonanzbedingung herzustellen, ohne daß der Resonator Mittet zur Drehung der elektromagnetischen Fcldverleilung aufweist, müssen die optische Weglänge L des Resonators und β folgende Bedingung erfüllen:

β L = 2ηπ so

Hierin ist /i eine ganze Zahl und es ergeben sich als Resonanzfrequenzen solcher Wellen die Frequenzen f_a=nc/L.

Die Wirkung einer Drehung des elektrischen Fcldvcktors eine.' solchen Welle in der im Zusammenhang mit Fig. 1 erläuterten Weise bedeutet, wie zuvor angegeben, eine Änderung der Phase dieser Welle. Eine derartige in der Phase geändene Welle kann für den Fall einer rechtssinningen Polarisation folgendermaßen angeschrieben werden:

E'_K = Re(e'_K] = X cos(ßS - i')i + π/2)- Ksinf/W- -tot + nß)

6t)

Für Resonanz müssen β und L die Bedingung erfüllen, daß ßl. + π/2 = 2/ιπ und daher sind die Resonanzfrequenzen solcher Wellen in die Frequenzen^ geändert worden, worin

Betrachtet man Wellen mit einem Polarisationssinn entsprechend der Regel der linken Hand, so ergibt sich, daß die Resonanzfrequenzen wegen der oben beschriebenen Drehung des elektrischen Feldes geändert wer-

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den in

ι π + π/2)

Zusammengefaßt kann festgestellt werden, daß eine Phasenänderung, νοιν ψ (Radiam) in entgegengesetzter Richtung für entgegengesetzten Polarisaiionssinn eine entsprechende Trennung der Resonanzfrequenzen der gegensinnig polarisierte,! Wellen um

herbeiführt. Weiter ergibt sich, daß die Reflektoren 12 bis 22 eine reziproke Wirkung haben. Das bedeutet, daß die Phasenverzögerung bei Wellen eintritt, die von dem linde 24 des Laser-Vcrstiirkungsmediums 10 längs der +Z-Achse austreten und folglich im Uhrzeigersinn umlaufen und auch bei Wellen bewirkt wird, die an dem Ende 24 des Laser-Vcrstärkungsmiltels längs der -Z-Achse eintreten und folglich im Gegenuhrzeigersinn umlaufen.

Durch geeignete, in der Zeichnung nicht gezeigte Mittel ist ein Permanentmagnet 30 so gehalten, daß er das Laser-Verstärkungsmedium 10 umgibt und ein magnetisches Feld H erzeugt, welches hier in der Orößen-Ordnung von 0,0IT liegt, also wesentlich stärker als das Erdmagnetfeld und andere magnetische Streufelder ist und parallel zu der -Z-Achsc in der dargestellten Weise das Lascr-Vcrstärkungsmcdium durchsetzt. Es sei

:o darauf hingewiesen, daß das ffiugnoiiscuC !'c'u // auch in der Wci.sc erzeug! werden kann. da'J d;>« I .iisermedium 10 durch Windungen eines Leiters umschlungen wird, durch welchen von einer Gleichstromquelle her ein Strom geeigneter Größe geleitet wird. Das Magnetfeld erzeugt eine Präzession der atomaren magnetischen Dipole der Helium-Neon-Atome im Laser-Verstärkungsmedium, wobei diese Dipole mit den durch das Verstärkermediuni laufenden Wellen entsprechend dem Drehsinn der Komponente des magnetischen Vektors der zirkulär polarisierten elektromagnetischen Wellen in Wechselwirkung treten. Im einzelnen ist. wenn der Drehsinn des magnetischen Vektors derselbe wie der Drehsinn der Prä/.ession der atomaren magnetischen Dipole der Helium-Neon-Atome ist, der Brechungsindex, welchen das Medium 10 unter dem Einfluß des Magnetfeldes H den durchlaufenden Wellen darbietet, von dem Brechungsindex verschieden, welcher für durchlaufende Wellen gilt, die einen Drehsinn des magnetischen Vektors entgegengesetzt zum Drehsinn der Präzession der atomaren ma-

ya gnetischen Dipole haben. Der beschriebene Effekt ist in folgenden Veröffentlichungen einer genaueren Untersuchung unterzogen worden:

»Zeeman Effect in Gaseous Helium-Neon Optical Maser«, von H. Statz. R. Paanancn und G. K. Kostcr, Journal of Applied Physics. Band 33. Nr. 7. Seiten 2319 bis 2321, Juli 1962: »Zeeman Effects in Gaseous He-Ne Optical Masers«, von R. Paananen. C. L. Tang und H. Statz. Proceedings of the IEEE, Band 51.

J5 Nr. 1. Januar 1963 Seilen 63 bis 69 und US-Patentschrift 3277 396.

Wie in den genannten Veröffentlichungen ausgeführt ist, hat das magnetische FcIiI H im Bereich des Laser-Verstärkungsmediums 10 die Wirkung, daö die Resonanzfrequenzen für rechtssinnig und linkssinnig zirkulär polarisierte Weiler¹., weiche sich durch das Medium in der gleichen Richtung relativ zur Richtung des magnetischen Feldes H ausbreiten, um den Betrag AFaufgespalten werden, worin

Hierin sind ,? die Lande"sehe Zahl (gyromagnclisches Verhältnis) vorliegend ungefähr gleich 1.3: B das Bohrsche Magneton: U das Planck'sche Wirkungsquantum. Αγι· die Halbwerlsbrcite der Resonanzkurvc des Laserraumes (dies ist J„lQ. worin _/,', die Frequenz des Laser-Versiärkungsmcdiums 10 ist und vorliegend etwa

4,74 χ to¹⁴ Hz beträgt. Q ist der Gütefaktor des Resonators und ist vorliegend etwa gleich 10") und Jy_(Vl. die Halbwertsbreite der Neon-Laserlinie, nämlich ungefähr gleich 1 CjHz.

Für ein Magnetfeld H von 0.01 T ist daher die Frcquenzaufspallung Λ A^-=SoRkHz. Ein bevorzugter Bereich

so von Frequenzaufspaltungswcrten/!/-'ist K)OkHzbis 1,I)MHz.

Wie oben im Zusammenhang mit Fig. 1 beschrieben wurde, ermöglichen die Reflektoren 12 bis 22. daß Wellen mit gegensinniger zirkularer Polarisation bei den in Fig. 3Λ eingezeichneten, unterschiedlichen Frequenzen/, und/,, in Resonanz auftreten. Während die Wirkung des Magnetfeldes H auf das Laser-Verstärkungsmedium 10 darin besteht, daß dieses für Wellen, die gegensinnig zirkulär polarisiert sind und in der selben Rich-

tung des Medium 10 durchlaufen ein jeweils unterschiedlicher Brechungsindex dargeboten wird, ist die Änderung des Brechungsindex für Wellen, welche einen bestimmten Richtungssinn der zirkulären Polarisation aufweisen und den Ringresonator in der einen Richtung, beispielsweise im Uhrzeigersinn durchlaufen, dieselbe wie für Wellen, welche im entgegengesetzten Sinne zirkulär polarisiert sind und den Ringresonator in der anderen Richtung, also im vorliegenden Beispiel im Gegenuhrzeigersinn durchlaufen. Das magnetische Feld H hat also die Wirkung, daß es die gegensinnig zirkulär polarisierten Wellen, welche die Resonanzfrequenzen /„ und /J₁ besitzen, jeweils in Frequenzpaare /J. /J. Jl und J^ aufspaltet, worin

\fi-f:\=\n-r;\-

und die Wellen mit den Frequenzen /„' und /J,' in entgegengesetztem Sinn zirkulär polarisiert sind und derselben Richtung, beispielsweise im Gegcr.uhrzeigersinn. im Ringresonator umlaufen, während die Wellen mit den Frequenzen /7 und ίζ ebenfalls gcgensinrig zirkulär polarisiert sind, jedoch in dem Ringresonator in der entgegengesetzten Richtung, also hier im Uhrzeigersinn, umlaufen. Das bedeutet, daß Wellen, welche in dem

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selben Sii.nc zirkulär polarisiert sind, jedoch gegensinnig in dem Ringresonator umlaufen, auf Grund des Zecman-Effektcs unterschiedliche Resonanzfrequenzen haber

Die Kombination der Reflektoren J2 bis 22 und der Einrichtungen zur Erzeugung des Magnetfeldes H in di:m Liiser-Vostärkungsmcdium 10 führt demgemäß dazu, daß in dem Ringresonator Wellen mit den in Fig. 3C \..!gezeichneten Frequenzen anregbar sind, wobei die Wellen 32 und 34 beispielsweise im Uhrzeigersinn umlaufen und die Wellen 36 und 38 im Ocgcnuhr/eijcrsinn umlaufen. 5)ie beiden im Uhrzeigersinn umlaufenden Wellen besitzen gegenüber denjenigen, weiche im Gegenuhr/.eigersinn umlaufen, einen entgegengesetzten Ricfttungssinn der zirkulären Polarisation. Die Frequenzen sind in Fig. 3 C um eine positive oder eine negative Differenz von der Mittenfrequenz der maximalen Verstärkung des Laser-Verstärkungsmediums 10 versetzt eingezeichnet.

Es sei hier bemerkt, daß der Unterschied in den Hrcchungsindizes. welche den jeweiligen Wellen durch in Wechselwirkung der Drehung des magnetischen Vektors dieser Wellen mit dem Drehsinn der atomaren magnetischen Dipole der Helium-Neon-Atomc dargeboten werden, nahe der Emissionslinic des Laser-Verstärkermediums am größten ist. In ähnlicher Weise ist der Faraday-Effekt bei der Erzeugung unterschiedlicher Brechungsindizes für Wellen entgegengesetzten Polarisationssinncs am größten nahe den Absorptionslinien oder Absorptionsbanden des verwendeten Mediums, beispielsweise wenn Absorptionslinien eines Quarzkristall, falls ein solcher als Faradayrotator verwendet wird. Die Resonanzfrequenzen der Wellen, auf welche der Effekt einwirken soll, sind jedoch im allgemeinen von der Absorptionslinic des im Faradayrotator verwendeten Mediums wesentlich verschieden. Bei dem hier vorgeschlagenen Ringresonator sind jedoch die Resonanzfrequenzen der Wellen des Resonators im wesentlichen gleich der Frequenz der Emissionslinie des Lasermediums und daher bewirkt die beschriebene Verwendung des Lascr-Verstärkermcdiums eine wirkungsvollere Trennung der Fre- :" qucnzen von Wellen entgegengesetzten Polarisalionssinnes, als dies bei Verwendung eines Quarzkristall für die Frequcnztrt.inungdcr F'all ist.

Der Spiegel 20 ist bei der hier beschriebenen Ausführungsform teilweise durchlässig (vorzugsweise weniger als 0.1%), so daß ein Teil der Energie der im Uhrzeigersinn umlaufenden Wellen und der im Gegenuhrzeigersinn umlaufenden Wellen zu einem Stabilisation- und Auswertsystem 40 gelangen kann. Es können jedoch auch Spiegclreflexionen von den Oberflächen der verschiedenen Bauteile des Ringresonators durch geeignete,

Reflektor 22 gekuppelt ist und dir Stellung dieses Reflektors so reguliert, daß die vier Frequenzen symetrisch 3» zu 'Jer Mittcnfrcquenz entsprechend dem maximalen Verstärkungsfaktor im Spektrum des Laser-Verstärkungsmediums 10 gehalten werden. Das System 40 enthält auch einen ebenfalls nicht dargestellten Zähler zur Anzeige der Drehgeschwindigkeit des Ringresonator um die Achse des Gyroskops. Stabilisicrungs- und A us wert systeme ähnlich dem System 40 sind in der US-Patentschrift 3741 657, beschrieben.

Es sei hier nochmals darauf hingewiesen, daß in dem Laser-Verstärkungsmedium 10 zwei verschiedene Isotopen von Neon verwendet werden, nämlich ²²Nc und ²⁰Nc. Der Grund für die Verwendung zweier verschiedener Isotopen des Lasermediums ist, daß jede der vier Wellen mit einer jeweils unterschiedlichen Gruppe von Atomen des Lasermediums in Wechselwirkung tritt, nämlich mit Atomen unterschiedlicher Geschwindigkeit, wenn die Länge des Resonanzhohlraumcs so abgestimmt ist, daß die vier Frequenzen symetrisch zu der Mittellinie entsprechend dem maximalen Verstärkungsfaktor in der Kennlinie des Laser-Ve-stärkungsmediu:ns ge- m halten werden. In dieser Hinsicht stellt das ²"Ne-lsotop 52 % der Neonatome, um das geringere Atomgewicht dieses Isotops zu kompensieren. Um den maximalen Verstärkungsfaktor, welcher für ein zusammengesetztes Lasermedium gültig ist, in die Mitte zwischen die den beiden Isotopen zugeordneten Resonanzfrequenzen zu legen, bedeutet dies, daß ein größerer Prozentsatz von ²¹¹Ne, nämlich 52%, verwendet werden muß, als in dem Gemisch an ²²Ne, nämlich 48%, enthalten ist. Ist die Anordnung so getroffen, so sind die verschiedenen Gruppen von Atomen, welche mit den jeweils zugehörigen der vier Wellen in. Wechselwirkung treten, am besten voneinander isoliert.

Die Orientierung der Gyroskopachse verläuft längs des Vektors G. Dieser Vektor läßt sich durch Auswertung folgenden Linienintcgrals berechnen:

Hierin ist Jr die Wandcrungsrichiung längs des Ausbreiiiingswegcs an einem Punkt desselben und r ist der Steliungsvektor an dem betreffenden Punkt. Betrachtet man den im Zusammenhang mit Fig. 1 beschriebenen Ringresonator, so stellt man lest, daß sich die Wellen in dem Resonator in zwei aufeinander senkrecht stehenden Ebenen ausbreiten, nämlich der Horizontalebcnc 26 und einer Vertikalebene. Die von dem Weg in der Horizontalebene umschlossene Fläche ist A₁ = 1/2U/, + ί!₃)ιΙ_Λ. Die Fläche, welche von dem Ausbreitungsweg in der Vertikalebene umschlossen wird, ist A₁ = U₁(I_x. Die Gyroskopachse verläuft dann längs des Vektors G, worin

G = [ + A, Y-A₁Z]

In Fig. 4 ist nun ein Lascr-Ringresonator gezeigt, welcher wieder das Lascr-Verstärkermedium 10 und nun vier Reflektoren enthält, nämlich die Reflektoren 42. 44, 46 und 48, die so angeordnet sind, daß in dem Resonator Wellen mit zirkularer Polarisation angeregt werden können, wobei die rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen eine andere Phasenänderung erfahren als die linkssinnig zirkulär polarisierten Wellen. Das Laser-Verstärkermedium 10 und die Reflektoren 42 bis 48 sind durch geeignete Mittel, welche in Fig. 4 nicht dargestellt sind, an einer Plattform oder Basisplatte 49 befestigt. Ein Permanentmagnet 30 wirkt mit dem Laser-Ringresonator

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in der Weise zusammen, daß zirkulär polarisierte Wellen mit vier unterschiedlichen Frequenzen angeregt werden können, so daß die Einrichtung als ein Vienrequenz-Laser-Ringresonator betrieben werden kann, wie in Verbindung mit Fig. 1 beschrieben wurde. Auch ist wieder ein Stabilisieiungs-Auswehsystem 40 vorgesehen, um die Lage des Reflektors 42 mit Hilfe eines daran befestigten, piezoelektrischen Elementes 41 zu regulieren, was mittels eines von einem Teil der durch den Reflektor 44 gelangenden Wellen abgeleiteten Signales geschieht, wie ebenfalls in Verbindung mit Fig. 1 ausgeführt wurde.

Es sei bemerkt, daß die Laserstrahlen, welche auf den eine konkave Oberfläche aufweisenden Reflektor 42 treffen und von ihm reflektiert werden, in einer zu der Ebene der Basisplaue oder Plattform 49 parallelen Ebene 45 verlaufen. Betrachtet man die Wellen, welche am Ausgangsende 43 des Lascr-Verstärkermediums 10

to austreten, so ist festzustellen, daß der Reflektor 44 den auf ihn treffenden Laserstrahl aus der Ebene 45 herauslenkt und auf den Reflektor 46 hin reflektiert. Der Reflektor 46 lenkt seinerseits den Laserstrahl, welcher auf ihn trifft, zu dem Reflektor 48, welcher den Strahl wieder in Richtung der Längsachse des Laser-Verstärkermediums 10 ablenkt, so daß der Laserstrahl wieder in der zur Ebene der Plattform 49 parallelen Ebene verläuft. Das bedeutet also, daß die Strahlabschnitte A und B in einer zu der Plattform 49 parallelen Ebene liegen, während die Strahiabschnitte C und D in einer Ebene gelegen sind, welche die Ebene der Plattform 49 schneidet.

Die Reflektoren 42 bis 48 besitzen solche Ausrichtung, daß sie die Verteilung des elektromagnetischen Feldes der in dem Loser-Ringresonaior in Resonanz befindlichen Wellen um — π/2 Radiant um die Ausbreitungsrichtung dieser Wellen drehen, wenn die Wellen in dem Ringresonator umlaufen. Um die richtige Orientierung der Reflektoren zu bestimmen, kann es vorteilhaft sein, die Reflexionen zu analysieren, welche von Paaren

χ der Reflektoren 42 bis 48 erzeugt werden. Zunächst sei das Reilcktorpuar 46 und 48 näher betrachtet. Es ist fest· zustellen, daß die reflektierenden Oberflächen dieser Reflektoren in zwei einander schneidenden Ebenen 60 beziehungsweise 62 gelegen sind, welche- in unterbrochenen Linien angedeutet sind. Die Ebenen verschneiden sich längs einer diedrischen Achse 64 und bilden .-in Verschncidungswinkcl y. Die dicdrischc Achse weist in Richtung des Einheitsvektors /'. Bekanntermaßen ist eine zweifache Reflexion eines Bildes gleichbedeutend mit einer Rotation dieses Bildes um einen Winkel von 2y um die dicdrische Achse, weiche durch Verschneidung der Ebenen gebildet wird in denen die Oberflächen der Reflektoren gelegen sind. Das bedeutet, daß dann, wenn man die Normalen zu den Oberflächen der Reflektoren mit /r, und //, bezeichnet, folgende Beziehung gilt:

f siny = «, -n,

Es sei nun wieder Fig. 4 betrachtet. Die Reflektoren 46 und 48 sind sn orientiert. daß die Wellen, welche den Abschnitt C des Ringresonators durchlaufen, nach Reflexion an ilen Reflektoren 46 und 48 auf die Längsachse des Laser-Verstärkermediums 10 ausgerichtet sind, wenn die Wellen in dem Abschnitt A des Ringresonators verlaufen, welcher sich /wischen den Reflektoren 42 und 48 erstreckt. Bei einer solchen Ausrichtung der Reflektoren 46 und 48 ist die Verteilung des elektromagnetischen Feldes der Wellen des Wegabschnittes C in dem Wegabschnitt A durch die Reflektoren 2y um den Einheitsvektor /gedreht.

In entsprechender Weise läßt sich eine dicdrischc Achse und solche Achscnrichüing den Reflektoren 42 und 44 zuordnen und die Verteilung des elektromagnetischen Feldes der Wellen in dem Abschnitt A ist bei Untersuchung der Verhältnisse in dem Abschnitt C" des Weges des Ringresonator* zusätzlich entsprechend dem gcnannten Winkel und der Achsenrichtung gedreht. Zur Hr/.cugung einer Drehung der Verteilung des elektromagnetischen Feldes um die Strahlausbrciiungsrichiung um einen Winkel von - π/2 derart, daß eine Phasendifferenz von π Radiant zwischen den rechtssinnig zirkulär polarisierten Wellen und den linkssinnig zirkulär polarisierten Wellen herbeigeführt wird, sind die Reflektoren 42bis48 folgendermaßen auszurichten:

Reflektor Richtungscosinus der Normalen zur Retlektor-

obcrflüche
.V-Achsc K-Achse X-Achse

42	0.X664I3	- .49932X	().()
44	.0036XX	.99929X	.037273
46	.209766	- .722611	-.65X659
48	- .769676	-\ .164503	+ .616X77

Man erkennt, daß bei dieser Orientierung der Reflektoren das Rcflektorenpaar 42 und 44 die Verteilung des elektromagnetischen Feldes der sich ausbreitenden Wellen für einen Richlungssinn der zirkulären Polarisation um —4.300° drehen und das die Reflektoren 46 und 48 die Verteilung des elckironiagnctischcn Feldes solchei Wellen um -85.700° verdrehen, so daß die (iesamidrehung 90" beträgt. Bei dein dargestellten Ausführung* beispie! ist die Länge des Abschnittes .-I des optischen Weges 15.7 cm.

Die optische Weglänge eines l'mliuiles in dem Ringresonator isl im vorliegenden Ausrührungsbeispiel 50 cm Wegen des Absiaudes /wischen den Rcsonaivschwingungs/usiäiulcn für Wellen einer bestimmten PohirisaliiH isl der Wen .1 durch die Bc/ichung I r I gegeben, worin r die Lichtgeschwindigkeit isl und I die Länge de: optischen Weges bedeutet. Im vorliegenden 1 alle isl ,1 gleich 600 MII/. Nachdem die Reflektoren 42 bis 48 st angeordnet sind, dall sie einen l'haseniinterschicil von 1X0" /wischen μc^.'cll^inniμ polarisierten Wellen erzeugen ist der Frequenzunterschied /wischen solchen vc>!cnsinniy polarisierten Wellen 300 MII/. «I h. der halbe Absiaiu /wischen ilen Schwmgiing.s/uMämlcn. nämlich .1/2. l.s sei bemerkt, dall der ISO' -l'haseniinterscliieil eine maximal Aufspaltung /wischen solchen gegensinni)! polarisierten Wellen bewirkt. Weiler verändert sieh die l-rcqiien/.aul spaltung von Null /u dem Maximum, wenn sieh iler l'hascnumcrschicd von 0" bis 1X0" ändert. Wenn iler Phaser

27 OO 045

unterschied von 180^c bis 360^c weiterwäehsi. wird die jeweils zugehörige'Frequenzaufspaltung von dem Maximum aus wieder zu Null.

Aus vorstehendem ergibt sich ohne weiteres, daß mittels der Spiegelanordnung, welche zur Drehung der Verteilung des elektromagnetischen Feldes der Wellen, die sich im Ringresonator ausbreiten, zur Erzeugung zirkulär polarisierter Wellen entgegengesetzten Polarisationssinnes dient, wobei die Wellen jeweils unterschiedliche Re- > sonanzfrequenz besitzen, die Verluste und die Streuung des Resonators im Vergleich zu einer Anordnung vermindert werden, welche einen anisotropen Kristallrotaior enthält, um die unterschiedlichen Resonanzfrequenzen aufweisenden, zirkulär polarisierten Wellen zu erzeugen. Weiter vermindert die Spiegelanordnung das Ausmaß einer linearen Doppelbrechung in dem Resonator durch Beseitigung des anisotropen Kristallrotators, wodurch der Grad der resultierenden elliptischen Verzerrung gegenüber einer Anordnung mit einem anisotropen Kristallrotator vermindert wird. Eine Fehlausrichtung der optischen Achse des Rotators kann eine unerwünschte elliptische Restverzerrung verursachen. Diese elliptische Restverzerrung verursacht wiederum unerwünschte Instabilitäten in einem Ringresonator mit Kristallrotaior. Das vorliegend vorgeschlagene Spiegelsystem jedoch beseitigt in wirkungsvoller Weise diese Quelle einer elliptischen Restverzerrung und vermindert dadurch die genannten Instabilitäten. Eine Vermeidung eines anisotropen Mediums in Gestalt des Kristallrotators bewirkt auch, daß der Fizeau-Fresnel-VerschiebungselTekt bezüglich der sich in dem Medium ausbreitenden Wellen beseitigt wird. Schließlich wird auch der Verstärkungsgewinn eines solchen Resonators dadurch verbessert, daß die Verluste vermieden werden, die auf Grund der Verwendung der beiden, verhältnismäßig stark Veriu-abehafteten Antireflexbelägcn verursacht würden, die allgemeinen an den Oberflächen eines Kristallrotators und eines Festkörper-Faradayroiators vorzusehen sind.

Anstelle des in den vorstehenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Laser-Verstärkermediums 10 können auch andere Medien mit anderen Mischungen von N'oonisoiopen verwendet werden.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

27 OO 045 Patentansprüche:

1. Ringresonator für sich in einem durch Reflektoren (12, 14. 16. 18. 20.22 bzw. 42.44, 46. 48) bestimmten, in sich geschlossenen Ausbreitungsweg ausbreitende elektromagnetische Wellen, mit einem Lascr-Verstärkcrmedium (10), mit einer Anordnung zur räumlichen Drehung der Polarisation des elektromagnetischen Feldes der im Ringresonator in Resonanz vorhandenen elektromagnetischen Wellen um die Wellenausbreitungsrichtung als Achse herum zur Resonanz mit jeweils unterschiedlicher Frequenz jeweils in Abhängigkeil vom Polarisationssinn und mit einer Einrichtung (10. 30). welche für die elektromagnetischen Wellen gleichen Polarisationssinncs. die den Ringresonator in jeweils unterschiedlicher Richtung durchlaufen.einen jeweils

ίο unterschiedlichen Brechungsindex bietet, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektoren (12, 14, 16, 18. 20, 22 bzw. 42. 44. 46. 48) zur Bildung der genannten Anordnung zur räumlichen Drehung der Polarisation zwei in zueinander im Winkel siehenden Ebenen verlaufende Ausbreiiungswegabschnitte in solcher Weise bestimmen, daß die Wellen auf dem Ausbreitungsweg abhängig vom Polarisationssinn eine räumliche Drehung der elektromagnetischen Feldverteilung erfuhren.

υ

2. Ringresonator nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die den elektromagnetischen Wellen

abhängig von der Umlaufrichtung im Ringresonator einen unterschiedlichen Brechungsindex darbietende Einrichtung (10, 30) das Laser-Verstärkermedium enthält.

3. Ringresonator nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gerader Anzahl von Reflektoren (12, 14. 16. Ϊ8. 20. 22) ein Reflektor (12), welcher einen in einer ersten Ebene gelegenen Ausbreitungswegahrchnitl begrenzt, die elektromagnetischen Wellen auf einen Ausbreitungswegabschnitt reflektiert, der vh. iiner hierzu senkrechten Ebene gelegen ist. in der durch drei weiteren Reflektoren (14. 16, 18) begrenzte Ausbreitungswegabschnittc liegen und daß einer (18) der drei zuletzt genannten Reflektoren die elektromagnetischen Wellen wiederum auf einen Ausbreilungswegabschnitt reflektiert, der wiederum in der ersten Ebene gelegen ist (F i g. 1).

4. Ringresonator nach Anspruch 1 oder 2. dadurch gckcnn/.eichnet. daß bei gerader Anzahl von Reflektoren (42, 44, 46, 48) ein Reflektor (48). welcher einen in einer ersten Ebene gelegenen Ausbreilungswegabschnitt begrenzt, die elektromagnetischen Wellen auf einen Ausbrcilungswcgabschniit reflektiert, der in einer zu der ersten Ebene im Winkel stehenden zweiten Ebene gelegen ist. in der sich ein weiterer, durch zwei Reflektoren (44. 46) begrenzter Ausbreitungswegabschnitt befindet, und daß einer (44) der beiden letztgenannten Reflektoren die elektromagnetischen Weilen auf einen Ausbreitungswegabschnitt reflektiert, der wiederum in der ersten Eben« vwlegen ist (Fig. 4).

5. Verwendung des Ringresonators nach einem der Ansprüche 1 bis 4 in einem Laser-Gyroskop.