DE19504373C2

DE19504373C2 - Diodengepumpter Festkörper-Ringlaserkreisel

Info

Publication number: DE19504373C2
Application number: DE19504373A
Authority: DE
Inventors: Thorsteinn Halldorsson; Nikolaus Schmitt; Karin Bauer; Hartmut Neumann
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1995-02-10
Filing date: 1995-02-10
Publication date: 2000-06-15
Anticipated expiration: 2015-02-11
Also published as: US5960022A; WO1996024971A1; EP0764354A1; DE19504373A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen diodengepumpten Festkörper- Ringlaserkreisel gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine heute weit verbereitete Methode zur Messung der Drehbewegung eines bewegten Gerätes - beispielsweise eines Fahrzeuges, Schiffes, Flugzeugs oder Satelliten - ist die Verwendung von Ring-Laser-Kreisel (RLK). Der Kreisel wird für die Steuerung und Stabilisierung der Bewegung, die Nordweisung sowie zur Kalibration von Beschleunigungssensoren in Trägheitsnavigationssystemen verwendet. Für die weiträumige Navigation im Flugzeug wird eine Langzeitstabilität von besser als 0,01°/h, für die Schiffsnavigation sogar 0,001°/h, für Messungen in Kombination mit anderen Navigationsverfahren wie dem Global Positioning System (GPS) sowie für kurzzeitige Messungen von Drehbewegungen im Fahrzeug, Flugkörper und Kampfflugzeug liegt die Forderung dagegen bei 10°/h bis 100°/h. Der Meßbereich liegt üblicherweise zwischen 0-10°/s. Da der RLK aufgrund seines planaren Aufbaus grundsätzlich nur eine Drehachse erfaßt, werden für Messungen in alle Raumrichtungen drei Kreisel, die senkrecht zueinander stehen, benötigt.

Die physikalische Grundlage des Ring-Laser-Kreisels ist der Sagnac-Effekt, der den Einfluß einer Rotationsbewegung auf die Ausbreitung von Lichtwellen beschreibt. Wird eine Lichtwelle durch Spiegelreflexion oder in einem Lichtwellenleiter um 360° umgelenkt und wieder zur Überlagerung mit sich selbst gebracht, entstehen Ringwellen. Da beide Umlaufrichtungen gleichwertig sind, kann sowohl eine links- als auch eine rechtsumdrehende Ringwelle sich gleichzeitig ausbilden. Bei einer Drehung der wellenführenden Struktur erhöht sich die Frequenz der mitlaufenden und erniedrigt sich die Frequenz der entgegenlaufenden Welle. Speziell im RLK werden die gegenläufigen Wellen im Ring ständig optisch verstärkt. Gleichzeitig wird ein Teil der beiden Wellen aus dem Ring mit einem Teilerspiegel ausgekoppelt und auf einem Photodetektor zur Messung der Differenzfrequenz überlagert. Diese ist proportional zu der Drehrate Ω und proportional zu der von den Wellen umschlossenen Fläche A, aber umgekehrt proportional zu dem Lichtweg L und der Wellenlänge X in dem verstärkendem Medium:

Δν = 4 AΩ/Lλ (1)

Wird ein Laserstrahl der Wellenlänge λ = 0,63 µm entlang den Seiten eines Quadrates mit einer Seitenlänge von 4 cm umgelenkt, dann ist die durch die Erddrehung hervorgerufe Frequenzverschiebung (mit der Drehrate Ω = 15°/Std) Δν = 4,4 Hz. Eine Drehgeschwindigkeit von 500°/s, wie sie bei einer Rollbewegung eines Kampfflugzeuges entstehen kann, liefert als Kreiselsignal Δν = 400 kHz.

Die auf dem Markt erhältlichen Laser-Kreisel verwenden HeNe-Gaslaser. Der Resonator wird entweder als gleichschenkliges Dreieck mit drei oder als Quadrat mit vier Umlenkspiegeln ausgelegt. Zwei Gasentladungsrohre entlang des Strahlenganges sorgen für die Laserverstärkung bei der Wellenlänge 0,633 µm oder 1,152 µm. Damit die Struktur möglichst mechanisch und thermisch stabil bleibt, ist der Laser meistens in einem Block aus einem Material mit extrem geringem Ausdehnungskoeffizienten integriert. Die Umlenkspiegel sind vakuumdicht an den Ecken angebracht. Die Bohrungen sind evakuiert und mit dem He-Ne-Gemisch auf einen Druck von wenigen Ton gefüllt. Zwischen zwei Elektroden wird die Gasentladung gezündet.

Die Umlenkspiegel bilden den optischen Resonator. Wie bei einem longitudinalen Resonator sind einer oder zwei der Spiegel sphärisch gekrümmt, die übrigen plan. Eine Umlenkung um 60° (gleichschenkliges Dreieck) bzw. um 90° (Quadrat) in der Ebene an jedem Spiegel sorgt dafür, daß eine geschlossene Ringwelle entsteht; hierzu ist allerdings eine sehr genaue Ausrichtung der Spiegel wie beim linearen Resonator notwendig.

Einer der Umlenkspiegel ist optisch teildurchlässig. Ein Teil der beiden Ringwellen wird ausgekoppelt und beide werden in einem speziellen Umlenkprisma auf einem Photodetektor zusammengeführt, wo sie mit einer leichten Neigung der Wellenfronten ein Interferenzstreifenmuster bilden. Der Sagnac-Effekt, der bei einer Drehung des Kreisels entsteht, wird als Bewegung der Interferenzstreifen über seine empfindliche Fläche detektiert. An der Bewegungsrichtung der Interferenzstreifen, die mit einer Doppelphotodiode detektiert wird, kann der Drehsinn des Kreisels eindeutig festgestellt werden.

Der Neigungswinkel der beiden Strahlen ϕ und die Größe der Photodetektorfläche d_d wird so aufeinander angepaßt, daß der Durchmesser des Detektors in etwa dem Abstand zwischen zwei Interferenzminima d_i entspricht:

d_d ~ d_i = λ/2sinϕ (2)

Die Aufgabe des Photodetektors ist es, die Anzahl der Intensitätsstreifen N, die mit dem Drehwinkel θ proportional ist, zu zählen, mit

Damit das Interferenzmuster räumlich stabil bleibt, muß der Laser in einer transversalen Grundmode und gleichzeitig auf einer einzigen longitudinalen Mode des Resonators arbeiten. Die Grundmode und ihre räumliche Stabilisierung wird durch Begrenzung des Strahlenganges mit Blenden erzwungen. Der longitudinale Einmodenbetrieb entsteht automatisch bei einer sich ausbildenden geschlossenen Ringwellen.

Die absolute Lage der Laserfrequenz muß sehr stabil gehalten werden, damit keine Meßfehler aufgrund von Frequenzfluktuationen entstehen, die sich zwar für beide Ringwellen gleich auswirken, aber insgesamt zum Rauschhintergrund beitragen. Dies wird durch Einstellung der Lage der Spiegel mit Piezo-Aktoren auf einen festen Frequenzwert durchgeführt. Fehlmessungen, die auftreten können, sind Bias-Fehler aufgrund ungleichmässiger Verstärkung der beiden gegenläufigen Ringwellen, eines Unterschiedes in dem Verlauf der beiden optischen Strahlengänge und Unsymmetrie im Ionentransport in der Gasentladung (Langmuir-Strömung).

Die bekannteste Störung in einem Ring-Laser-Kreisel ist das sogenannte "frequency-lock-in", durch optisches Übersprechen zwischen den gegenläufigen Ringwellen. Bei der Reflexion der Laserwellen an den mehrschichtigen dielektrischen Umlenkspiegeln entsteht ein geringer Anteil an Streulicht an der Oberfläche, der zum Teil in die entgegengesetzte Richtung im Strahlengang zurückgestreut wird. Dieses Streulicht wird vom Laserprozeß weiter verstärkt und konkurriert nun mit der zweiten Meßwelle. Mit der sehr hohen Frequenz der Laserwellen, z. B. ν = 4,7 × 10¹⁴ Hz bei λ = 0,63 µm, und einer Meßdifferenzfrequenz im Bereich Hz bis einige zehn kHz tritt das Phänomen des "frequency-lock-in" zweier Oszillatoren vergleichbarer Frequenz auf, was in der Elektronik allgemein bekannt ist. Die Ringwellen schieben sich auf eine gemeinsame Frequenz zu (injection locking) und die Differenzfrequenz, die eigentliche Meßfrequenz, verschwindet.

Da das "lock-in" erst im unteren Frequenzbereich passiert, kann dieses Problem durch künstliche Verschiebung der Differenzwellenlängen (d. h. gezieltes Biasing) in einen höheren Frequenzbereich vermindert bzw. unterbunden werden. In den auf den Markt befindlichen Geräten werden hierzu drei verschiedene Methoden angewandt. Die erste besteht darin, die gesamte RLK Struktur in Rotation mit einer festen Rotationsgeschwindigkeit zu versetzen (Fa. Raytheon, USA). In der zweiten wird die Struktur in eine periodische Schwingung gebracht (dithering, Fa. Honeywell, USA). Die dritte Methode (Fa. Northrop, USA) verwendet magneto optische Umlenkspiegel. Unter Zuhilfenahme des transversalen Kerr Effektes in dünnen magnetischen Spiegelschichten der Umlenkspiegel wird durch Umschalten eines Magnetfeldes eine periodische Phasenverschiebung auf die umgelenkten Ringwellen ausgeübt.

Grundsätzlich hat der RLK auf der Basis von Gaslasern folgende Nachteile:

- Miniaturisierung ist nur bis zu einem begrenztem Grad möglich, da eine gewisse Mindestverstärkungslänge benötigt wird
- Die Laserstruktur ist mechanisch und thermisch empfindlich
- Die Verwendung von Hochspannung zum Betrieb der Gasentladung ist nachteilig (Röhrentechnolgie)
- Der gesamte Wirkungsgrad des Lasers ist mit <0,01% sehr niedrig (thermische Belastung)
- Die Herstellung extrem streulichtarmer Spiegel zur Unterdrückung des "lock-in Effektes" ist kostspielig
- Blenden zur Abgrenzung und Stabilisierung des Strahlenganges erzeugen Streulicht, was den "lock-in Effekt" fördert
- Drehung oder Schaukeln des RLK, um den "lock-in Effekt" bei der Messung zu umgehen, ist technisch aufwendig, teuer und erzeugt gegenseitige Störungen der Messungen in drei Achsen
- Das Aufheben von Unsymmetrien in dem Gastransport in der Entladungsröhre ist technisch nur sehr aufwendig zu bewerkstelligen
- Das Magnetfeld zur Erzeugung des Kerr-Effektes in magneto-optischen Spiegeln induziert gleichzeitig eine störende Zeemann Linienaufspaltung der Laserlinie in der Gasentladung.

Der RLK mit dem HeNe-Laser ist trotz dieses hohen technischen Aufwandes als Bestandteil von Trägheitsplattformen in Flugzeugen und Schiffen sehr verbreitet. Bei wesentlich geringeren Anforderungen an die Winkelauflösung (<10°/h), wie in Flugkörpern, für die Richtungssteuerung von Roboter und Automaten, wird in letzter Zeit der sogenannte passive Faser-Kreisel, wo der Sagnac-Effekt zur Phasenverschiebung gegenseitig umlaufender Lichtwellen in Glasfasern fährt, zunehmend eingesetzt. Diese Technologie hat den großen Vorteil, daß Opto- Halbleiter mit geringer Frequenzgüte, langer Lebensdauer und geringer Kosten als Lichtquelle verwendet werden können. Nachteilig ist die thermische und mechanische Empfindlichkeit der relativ unhandlichen großen Faserspule, und die geringe erzielbare Winkelauflösung.

Ferner sind monolithische Ringlaser seit längerer Zeit aus der Literatur bekannt (siehe z. B. T. J. Kane and R. L. Byer, "Monolithic, unidirectional single-mode Nd:YAG ring laser", Optics Letters, Vol. 10, No 2, S. 65-67 (1985) und werden bereits auf dem Markt von der Firma Lightwave in USA als besonders frequenzstabile Laserquellen (MISER) angeboten. Solche Laser sind ein Gegenstand intensiver Forschung, da sie einmodige sehr schmalbandige Strahlung für verschiedene Anwendungen bis in den Leistungsbereich nahe 1 W liefern können (siehe z. B. I. Freitag, P. Rottengatter, A. Tünnermann und H. Schmidt, "Frequenzabstimmbare diodengepumpte Miniatur-Ringlaser", Laser und Optoelektronik 25 (5) 1993. Entscheidend für die Anwendungen dieser Laser ist die Unterdrückung der zweiten Ringwelle, durch den Einbau einer optischen Dioden in den Strahlengang, z. B. mit der Hilfe des magneto-optischen Effektes.

Trotz Fortschritte in der Satellitennavigation durch das GPS und der Markteinführung von neuen Verfahren zur Drehratenmessung, wie z. B. durch Messung der Einwirkung der Corioliskraft auf Stimmgabelschwingungen, besteht heute ein breiter Bedarf für das RLK als alternatives bzw. als zu GPS ergänzendes Meßverfahren, bei dem z. B.

Unterbrechungszeiten im Kontakt mit dem Satelliten überbrückt werden müssen. Weitere Anwendungen sind die Messung von kurzzeitigen Drehbewegungen im Fahrzeug und Maschinen. Die Technik des Gaslaser-RLK ist zwar ausgereift, aber für die breite Anwendung in Zukunft technisch zu aufwendig. Sie sind in der Herstellung zu kostenintensiv und ihre Lebensdauer ist auf einige tausend Betriebsstunden begrenzt. Die kostengünstigen miniaturisierten Halbleiterlaser wären als Laserverstärker in offenen Ringlaser-Spiegelstrukturen denkbar, sind aber wegen der geringen Frequenzstabilität und schlechten Strahlqualität zur Realisierung eines hochwertigen RLK ungeeignet und für niedrigere Ansprüche zu teuer. Der Faserkreisel bietet aufgrund seiner schlechten Meßauflösung nur für bestimmte Anwendungen einen Ersatz und läßt sich prinzipiell nicht klein bauen.

Aus der US 5,027,367 ist ein diodengepumpter monolithischer Festkörper-Ringlaser bekannt, an dessen Grenzflächen eine Umlenkung der Resonatormoden stattfindet. Das Festkörpermedium besteht aus dotiertem Kristall- oder Glasmaterial. Um einen unidirektionalen Betrieb zu gewährleisten, hat der Ringlaser einen geschlossenen optischen Pfad mit sechs Reflektionspunkten.

Die Druckschrift DE 40 33 299 A1 zeigt einen Multioszillator-Ringlaserkreisel mit einem Ringlaserblock, der einen Ringlaserpfad mit vier lasenden Moden hat. In einer Faradayzelle ist ein optischer Keil, um die sich in entgegengesetzter Richtung bewegenden Moden abzufangen. Dadurch sollen Variationen der Intensität in Abhängigkeit von Temperaturänderungen vermieden werden.

Weiterhin wird in R. Rodloff, Laser und Optoelektonik 2, Seiten 131-140, 1985 ein Laser als optischer Kreisel beschrieben, wobei der Sagnac-Effekt genutzt wird. Zwei gegensinnig umlaufende Wellenzüge sind durch Streueffekte an Spiegeloberflächen gekoppelt, was zum störenden Lock-in-Effekt führt.

Aus der EP 129 838 A2 ist ein Ringlaser-Drehratensensor bekannt, mit einem außerhalb des Ringpfades gelegenen Reflektor, der Energie aus einem von zwei gegenläufigen Strahlen entnimmt und dem entgegengesetzt umlaufenden Strahl zuführt. Zur Reduzierung des störenden Lock-in-Effekts wird die rückgeführte Energie moduliert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen diodengepumpten Festkörper-Ringlaserkreisel zu konzipieren, der nicht nur in seinem mechanischen Aufbau vereinfacht und miniaturisiert ist, sondern auch keine beweglichen Teile mehr aufweist und bei dem das Frequency-Lock-in vermindert wird.

Diese Aufgabe wird durch den diodengepumpten monolithischen Festkörper- Ringlaserkreisel gemäß Patentanspruch 1 gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispiele erläutert. Der Festkörper-Ringlaserkreisel ist gegenüber äußeren Störungen unempfindlich, ferner entspricht er in der Meßauflösung und Meßgenauigkeit einem hochwertigen HeNe-RLK und er erlaubt eine gleichzeitige Drehratenmessung um alle Raumachsen in einem monolithischen Kreiselkörper. Die Figuren der Zeichnung ergänzen diese Erläuterungen. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines Ausführungsbeispiels mit Laserdioden als Anregungsquellen, einem Ringlaser-Kreiselkörper aus Festkörperlasermaterial und Auskoppelplatten mit Umlenkprisma.

Fig. 2a eine Skizze bezüglich der angepaßten Fokussierung der Pumpstrahlung in das Resonatormodenvolumen bei kurzer Absorptionslänge,

Fig. 2b eine gekippte Anordnung gemäß Fig. 2a bei relativ großer Absorptionslänge,

Fig. 3 eine zu Fig. 2 analoge Anordnung, bei der die Pumplichtstrahlung jedoch über Glasfasern an die Resonatormode herangeführt wird,

Fig. 4 ein Ausführungsbeispiel einer Ringlaserkreiselanordnung mit Ultraschallwellenerzeuger zur Frequenzaufspaltung der gegensinnig umlaufenden Ringwellen,

Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel einer zur Auskopplung verwendeten dielektrischen Platte mit Aktuator zur Manipulation des Abstandes der Platte zur Resonatormode,

Fig. 6 ein Schemabild zur Verdeutlichung des "Goos-Hähnchen-Shift", der zu einer Verschiebung der Strahllage bei Änderung des Abstandes der dielektrischen Platte führt,

Fig. 7 ein spezielles Ausführungsbeispiel mit drei unabhängigen Ringlasern, die in drei aufeinander senkrechten Schnittebenen eines Würfels oder Quaders aufgebaut sind.

Lampengepumpte Festkörperlaser sind bis jetzt nicht für die vorgeschlagene Anwendung in Betrachtgezogen worden, insbesondere wegen ihrer schlechten Strahlqualität und ihres instabilen Frequenzverhaltens. Durch die Anregung mit Diodenlasern und der damit verbundenen wesentlich verbesserten Effizienz und geringeren thermischen Belastung des Festkörperlasermaterials lassen sich kompakt aufgebaute Lasersysteme herstellen, die mit relativ geringem Aufwand eine Strahlqualität und Frequenzstabilität erreichen, die vergleichbar oder sogar besser als bei Gaslasern ist. Darüberhinaus bietet der diodengepumpte Festkörperlaser für die Realisierung von miniaturisierten RLK gegenüber dem Gaslaser die Vorteile der hohen Verstärkung in geringem Materialvolumen und des geringeren Frequenz- und Amplitudenrauschens.

Besonders geeignet sind hierfür diodengepumpte Festkörperlaser der laserfähigen Ionen der Seltenerden, mit denen verschiedene Wirtskristalle und -Gläser dotiert werden. Als bekanntester Laser dieser Art ist der Nd:YAG-Laser mit der Emissionswellenlänge 1,06 µm, der mit GaAlAs Laserdioden mit der Wellenlänge λ = 0,81 µm angeregt wird. Das Neodym kann als laseraktives Ion auch in andere Wirtskristalle und Gläser eingebaut werden. Weitere laserfähige Ionen der Seltenerden sind z. B. Erbium, Holmium, Thulium und Praseodym, die auf Grund ihrer verschiedenen Energieübergänge dann auch weitere Emissionswellenlängen zur Verfügung stellen. Von Interesse sind hier insbesondere die Wellenlänge des Nd-Ions 1,32 µm und die Wellenlänge des Er- Ions 1,54 µm. Diese Wellenlängen decken sich mit den meistverwendeten Wellenlängen der Faserkommunikation und ermöglichen bei der Realisierung des RLK damit gleichzeitig die Verwendung der billigen Komponenten der Telekommunikationsindustrie. Grundsätzlich kann der RLK außer mit den Seltenerdenionen-Lasern auch mit anderen Arten von Festkörperlasern wie Cr- Laser, Ti-Saphir auch realisiert werden.

Der Gegenstand der Erfindung, nämlich die Verwendung des Sagnac Effektes von zwei gegenläufigen Ringwellen eines monolithischen Festkörper-Ringlasers als Kreisel wird hier erstmals vorgeschlagen. Sie beruht auf der Verwendung des Festkörpers gleichzeitig als Lichtweg für die Ringwellen und als ihr Verstärkungsmedium. Damit kann ein mechanisch und thermisch sehr stabiler Kreiselgrundkörper realisiert werden, in dem durch Ausnutzung der Totalreflexion an den Grenzflächen zur Strahlumlenkung das störende "Spiegel- Streulicht" minimiert wird. Die Strahlung der Anregungsquelle wird durch die Grenzfläche des Grundkörpers in den Laserstrahlengang abgebildet und erlaubt so eine weitgehende mechanische und thermische Entkoppelung beider Systeme.

Wie in Fig. 1 dargestellt ist, wird in einem Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, den Laser als eine quadratischen Scheibe aufzubauen. Seine typische Größe, mit heutigen Fertigungsmitteln leicht realisierbar, wäre z. B. eine Seitenlänge von 1 cm und eine Höhe von 3 mm. Im Nd:YAG-Material mit dem Brechungsindex n = 1,823 beträgt der Grenzwinkel der Totalreflektion θ = 33,3° und im Nd: Glas mit n = 1,57, θ = 39,7° oder ausreichend kleiner als der Umlenkwinkel 45° der Laserstrahlen an den Grenzflächen innerhalb des Quadrates.

In einigen Fällen ist es vorteilhaft, anstatt eines Quadrates eine rechteckige Scheibe mit unterschiedlicher Seitenlänge zu verwenden. Hier ändert sich der Einfallswinkel je nach Längenunterschied der Seiten. Hier darf der Winkel dann nicht den Grenzwinkel der Totalreflexion unterschreiten.

Zur Erfassung der Drehung um alle drei Raumachsen muß der Lasergrundkörper als ein Würfel oder Quader gestaltet sein, bei dem drei voneinander unabhängige Ringlaser in drei aufeinander senkrechten Schnittebenen des Würfels oder des Quaders aufgebaut sind, wie später dargelegt wird. Grundsätzlich gelten aber für den Würfel gleiche Aufbauweisen wie für Laser in quadratischen Scheiben.

Durch die Ausnutzung der Totalreflexion der Grenzfläche zur Umlenkung des Laserstrahles wird eine erhebliche Reduktion von Streulicht gegenüber den externen dielektrischen Spiegeln eines HeNe-RLK erreicht. Mit einer Standard- Politur der Oberfläche kann der Streulichtanteil auf ein verschwindend geringes Maß unterdrückt werden, unter der Voraussetzung, daß die Oberfläche auch sehr sauber bleibt.

In dem Strahlengang durch den Wirtskristall kann unter Umständen Streulicht enstehen. Mögliche Quellen solcher Volumenstreuung sind optische Inhomogenitäten, wie Konzentrationsschwankungen der Dotierung, Variationen in dem Kristallwachstum, Kristallfehler, Mikrorisse, eingeschlossene Gasblasen und Dichteschwankungen durch mechanische und thermische Spannungen. Aus diesen Gründen ist eine besondere Sorgfalt in der Auswahl des Lasermaterials, in der Auslegung der Dotierungskonzentration und in der Ziehung und Bearbeitung des Materials notwendig.

Um eine stabile Mode in einem Ringlaser zu erzeugen, müssen einer oder zwei der Umlenkspiegel gekrümmt sein. Aus Symmetrie- und Fertigungsgründen ist es sinnvoll, an zwei sich gegenüberliegenden Seiten eine Krümmung anzuschleifen. Zur Unterdrückung aller höheren Moden außer der Grundmode, und um gleichzeitig die Lage der Grundmode zeitlich stabil zu halten, ist eine weitere Abgrenzung des Strahlweges erforderlich. Eine stabile longitudinale Mode, d. h. eine Mode im Frequenzraum, stellt sich bei der Ausbildung einer Ringwelle dann automatisch ein.

Zur Modenselektion schlägt die Erfindung hier eine Methode der Modenfilterung und -Stabilisierung vor, die gegenüber der Verwendung von Blenden wie beim HeNe-RLK, die eine Dämpfung durch Lichtbeugung hervorrufen, den großen Vorteil hat, das Entstehen des störenden Streulichts der Blenden zu vermeiden. Diese Methode, die im Ausführungsbeispiel in Fig. 2 dargestellt ist, besteht darin das Volumen der Anregung durch das Pumplicht so gut an das Modenvolumen der Grundmode des Ringlasers räumlich anzupassen, daß nur diese eine Mode in dem Lasermedium verstärkt wird. Dies ist möglich, da die Größe der Anregungsquelle, die entweder als Emissionsfläche der Diode oder ihr Glasfaserende sein kann, optimal an die Größe der Lasermode angepaßt werden kann. Mit einem Durchmesser der Fläche oder der Faser unter 100 µm und mit einer entsprechenden Abbildungsoptik kann das Licht auf definierte Bereiche des Modenvolumens von 100-200 µm Durchmesser mit einer Genauigkeit im µm- Bereich, abgebildet werden. Je nach Absorptionslänge des Lasermediums für die Pumpwellenlänge muß die Pumpstrahlung kollinear zur Resonatormode in das Lasermaterial fokussiert werden (Fig. 2b). Bei einer hinreichend kurzen Absorptionslänge reicht es hingegen, wenn das Pumplicht in den Reflexionsbereich der Mode fokussiert wird. Die Pumplichtstrahlung kann direkt von der Lasrediode in das Lasermaterial fokussiert werden, eine flexiblere Bauweise erreicht man jedoch, indem das Pumplicht zunächst in Glasfasern eingekoppelt und dann an den Ringlaserkreisel herangeführt wird (Fig. 3).

Was die Strahlverlaufsregelung betrifft, schlägt die Erfindung vor, wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 3 dargestellt ist, durch Verwendung von mehreren benachbarten Anregungsquellen (Dioden oder Fasern), die individuell angesteuert werden, den Strahl räumlich auf einen optimalen Verlauf durch den Kristall zu justieren. Die benachbarten Lichtquellen (zwei oder drei) werden durch Abbildung in den Bereich des Modenvolumen zu einer teilweisen Überlagerung gebracht. Mit einer individuellen Ansteuerung der Dioden ist es dann möglich, die Intensitätsverteilung in dem Überlagerungsbereich zu variieren. Durch eine gleichzeitige Messung der Ausgangsleistung bzw. des Strahlverlaufs und der Verwendung dieses Signals als Regelsignal kann somit der Verlauf der Grundmode innerhalb des Stabilitätsbereichs des Ringresonators gesteuert und der Laser auf optimale Betriebsbedingungen gebracht werden. Eine solche Strahlverlaufsregelung ist auch in dem Aufbau mit getrennten Anregungsbereichen wie in Fig. 3 möglich. Hier müßten die Anregungsbereiche dann gegenüber der optimalen optischen Achse der Ringwelle leicht versetzt werden. Mit zwei Laserdiodenpaaren, die senkrecht aufeinander gestellt sind, ist diese Strahlsteuerung auch in zwei Achsen möglich. Eine Anwendung dieses Verfahren gleichzeitig an mehreren Seiten des Kreisels bringt weitere Vorteile.

Zur Verschiebung der Meßfrequenz ist anzuführen, daß mit einer Steuerung des Strahlenverlaufs gleichzeitig an mehreren Seiten des Kreiselkörpers es auch möglich ist, die Ringwelle kurze Zeit um kleine Winkel in Drehbewegung zu versetzen. Dies kann z. B. durch eine periodische, asynchrone Ansteuerung der Dioden an zwei gegenüberliegenden Seiten des Kreisels durchgeführt werden. Bei dieser einseitigen Drehung, die z. B mit 10 µm Versetzung und einer Seitenlänge des Kreisels von 1 cm den Winkel 0,12° beträgt, wird auch der Sagnac-Effekt wirksam. Die Erfindung schlägt deshalb vor, ähnlich wie bei den magneto-optischen Spiegeln im He-Ne-Kreisel, diesen Effekt zu verwenden um den Frequenzmeßbereich des Kreisels außerhalb des "lock-in Bereiches" zu versetzen. Mit einer Modulationsfrequenz von z. B. 1 kHz beträgt die maximale Drehrate dann 120°/sek was für alle praktischen Fälle vollkommen ausreichend wäre. Die entsprechende Frequenzverschiebung wäre nach Gleichung (1) bei der Wellenlänge λ = 1 µm dann 20 kHz.

Durch den Festkörper als strahlführendes Medium eröffnen sich aber weitere Wege zur einseitigen Frequenzverschiebung der einen Ringwelle gegen die andere, nämlich durch die Ausnutzung der Dopplerverschiebung der Lichtwelle an einer akustischen Welle, die durch das Medium sich ausbreitet. Die Erfindung schlägt vor, wie in Fig. 4 dargestellt ist, eine Schallwelle von einem externen Schallgenerator als eine Wanderwelle in den Kristall so hineinzuleiten, daß die gegenläufigen Ringwellen unterschiedliche Dopplerverschiebung erfahren. Dies kann durch eine geeignete Wahl des Einfallswinkels der Schallwelle auf das Kreiselmedium bewerkstelligt werden. Da mit einer typischen Schallgeschwindigkeit von 3-6 km/sek in Gläsern die Dopplerverschiebung beim senkrechten Aufprall des Lichtes auf die Schallwellenfront in dem sehr hohen Frequenzbereich von 3-6 GHz liegen würde, empfiehlt es sich, die Schallwelle nur mit einem sehr kleinen Winkel in der Größenordnung von einigen Grad quer zu der Ringwelle des Kreisels durch den Festkörper zu leiten. Die Differenz der Dopplerverschiebung an den beiden Ringwellen ist dann im Bereich von 10-100 MHz, was die spätere Signalverarbeitung erleichtert. Damit Störungen aufgrund von Reflektionen und Beugung der Schallwelle unterbunden werden, empfiehlt es sich weiter, einen Schallabsorber mit in das Festkörpermaterial, wie in Fig. 4 angedeutet, zu integrieren. Auf diese Weise kann der bekannte Effekt des frequency-lock-in unter Verwendung eines Festkörper-Lasermaterials umgangen werden.

Für die Auskoppelung der Meßwelle aus dem RLK wird vorgeschlagen, ein definiertes optisches Übersprechen zu einer dielektrischen Platte, die sehr nahe an die reflektierende Fläche herangebracht wird, zu verwenden. Bekanntlich wird bei Totalreflexion von Licht an Grenzflächen, z. B. Glas gegen Luft oder Glas gegen Glas in Lichtleitern, die Welle nicht vollständig an der geometrischen Grenzfläche wegreflektiert, sondern die Welle tunnelt aus der Oberfläche heraus, bevor sie wieder in das Medium ohne Verluste zurückkehrt. Wird eine dielektrische Platte an die Grenzfläche auf einen Abstand von Bruchteilen der Wellenlänge genähert, dann dringt ein Teil der Welle in dieses Dielektrikum hinein und wird dort weiter als Lichtstrahl geleitet. Die Intensität der durchgehenden Welle ist abhängig von Einfallswinkel der Welle auf die Grenzfläche und Luftspalt. Durch eine Variation des Abstandes im Bereich λ/2 bis 0 kann die Welle von totaler Reflexion bis zu vollständiger Transmission moduliert werden. Dieser Effekt ist zur Auskoppelung von Lichtwellen in Festkörperlasern angewandt worden (siehe S. Schiller, II. Yu, M. M. Fejer and R. L. Byer, "Fused-silica monolithic total-internal-reflection resonator", Optics Letters Vol 17, No 5, S. 378-380 (1992), wurde aber für die Auskoppelung der Meßwelle aus einem Laserkreisel bis jetzt nicht angewandt.

Die Erfindung sieht - wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 5 dargestellt ist - vor, daß die dielektrische Auskoppelplatte mit einem Mikroaktuator - beispielsweise einem piezo- oder elektrostatischen Element - auf den erforderlichen Abstand zu der Kreiseloberfläche gebracht wird, der dem gewünschten Transmissionswert entspricht. Da die Transmission elektronisch gesteuert werden kann, schlägt die Erfindung vor, daß durch die Messung der ausgekoppelten Leistung mit einer Photodiode der Abstand auf einen festen Wert geregelt wird. Durch die Manipulation des Abstandes der Platte zur Resonatormode ist die Möglichkeit geschaffen, die Intensität der ausgekoppelten Leistung und auch ggf. die Strahllage zu beeinflussen.

Diese Methode der Auskoppelung kann gleichzeitig an mehreren Seiten des Kreisels durchgeführt werden. Die Erfindung sieht vor, daß die Auskoppelung z. B. gleichzeitig an zwei gegenüberliegenden Seiten durchgeführt wird, und an beiden Seiten eine Vorrichtung zur Messung des Sagnac Effektes installiert ist. Die gleichzeitige Messung an zwei Meßsstellen am Laserkreisel eröffnet die Möglichkeit, auf die Meßsignale verschiedene elektronische Korrelationsverfahren anzuwenden. Mit solchen Korrelationsverfahren können auch bei starkem Rauschhintergrund zuverlässige Messungen gemacht werden. Auch können systematische Meßanormalien im Kreisel, bedingt durch seinen Aufbau oder Betrieb, damit aufgehoben werden. Die Möglichkeit der elektronischen Modulation der Transmission kann z. B. dazu verwendet werden, die Auskoppelung an beiden Meßstationen synchron oder asynchron mit verschiedenen Frequenzen durchzuführen.

Zur Überlagerung der beiden Ringwellen auf dem Photodetektor sieht die Erfindung die von anderen Laserkreiseln bewährte Methode der Umlenkung der einen Welle in einem Eckspiegel vor, der auch dafür sorgt, daß die Achsen der beiden Ringwellen zur Erzeugung der Interferenzstreifen mit einem Winkel ϕ nach Formel (2) auf dem Photodetektor auftreffen.

Die Erfindung schlägt weiterhin vor, die Einstellung der Frequenz des Festkörper RLK mit einer hierfür neuen Methode durchzuführen, die auf dem Tunneln der Lichtwelle zu einem zweiten nahen Dielektrikum beruht. Der Effekt, der hier ausgenutzt wird, ist die sogenannte Goos-Hänchen-Verschiebung 2z_g der Welle an der Grenzfläche, wie in dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6 dargestellt ist. Beim Heraustreten der Welle aus dem Dielektrikum ist der Schnittpunkt der Einfalls- und Austrittsachse nicht an der Oberfläche, sondern in einem virtuellen Spiegelpunkt außerhalb der Fläche. Bei der Annäherung des zweiten Dielektrikum (Abstand vom RLK x_g) kann aber die Lage dieses Spiegelpunktes in einem Abstandsbereich von 0-λ/2 von der Grenzfläche weg kontinuierlich variiert werden. In einem RLK führt diese Abstandsänderung, durchgeführt an einem oder mehreren Grenzflächen, zu Änderungen des Durchmessers und der Winkellage der Welle, was unweigerlich Frequenzänderungen zur Folge hat. Da dieser Effekt sich auf die beiden Ringwellen in gleicher Richtung auswirkt, handelt es sich nicht um ein Auftreten einer Differenzfrequenz wie beim Sagnac- Effekt, sondern um eine gemeinsame Frequenzverschiebung Δν, die von der Längenverschiebung Δl wie folgt abhängt:

Δν = Δl ν/l (4)

Mit ν = 3 . 10¹⁴ Hz bei λ = 1 µm und l = 4 cm bei 1 cm Seitenlänge des Kreisels beträgt der mögliche Durchstimmbereich der Frequenz mit Δl = 1 µm, Δν = 1,3 . 10¹⁰ oder 13 GHz.

Dieser Effekt kann in vielfacher Weise zur Änderung und Einstellung der Frequenz des Festkörperlaserkreisels verwendet werden. Durch Messung der Transmission der Laserwelle durch das äußere Dielektrikum kann der Abstand Δl bestimmt werden. Durch Regelung auf einen festen Abstandswert kann damit die Frequenz stabil gehalten werden. Wenn sehr hohe Stabilisierungsgenauigkeit gefordert wird, besteht die Möglichkeit, einen Teil der austretenden Welle in ein miniaturisiertes Fabry-Perot-Interferometer als Vergleichsfrequenznormal zu leiten und ihre Frequenzlage dort zu vermessen und mit dem so gewonnenen Meßsignal den Laser mit dem Aktor nachzustimmen.

Sollten nun gleichzeitige Messungen um mehrere Koordinationsachsen durchgeführt werden, wird davon ausgegangen, daß grundsätzlich ein RLK Drehbewegungen um die Raumachse, die senkrecht auf der Fläche steht, die von dem Laserresonator umschlossen wird, mißt. Damit diese Meßrichtung wohldefiniert ist, sollte der Strahlengang räumlich so stabilisiert werden, daß er in einer Ebene verläuft. Da nun das Lasermaterial des Festkörperlasers nicht nur als eine flache quadratische bzw. rechteckige Scheibe, sondern auch als Würfel oder Quader hergestellt werden kann, ist es möglich, in einem Würfel drei vollkommen unabhängige Laser in drei aufeinander senkrechten Schnittebenen des Würfels (Quaders) gleichzeitig zu betreiben. Die gesamten bisher betrachteten Laser- und Meßanordnungen sind für die Anregung, Auskoppelung und Detektion der Laserstrahlung in nur einer Meßebene ausgelegt. Sie können aber alle in drei senkrecht aufeinanderstehenden Schnittebenen des Laserwürfels ohne gegenseitige Störung aufgebaut werden. Aufgrund der niedrigen optischen Leistungen der Pumpdioden und der Meßlaser ist ein Übersprechen durch optische Streuung und thermische Beeinflussung zwischen den Meßebenen vernachlässigbar.

Damit die Umlenkpunkte der Totalreflexion in den verschiedenen Schnittebenen an den Seiten des Würfels (Quaders) getrennt sind und dadurch ein getrennter Aufbau von Anregungsdioden und Auskoppelvorrichtungen der verschiedenen Ringlaser möglich wird, empfiehlt es sich die Schnittebenen so zu wählen, daß sie nicht alle durch den Mittelpunkt des Würfels (Quaders) laufen, sondern mindestens zwei von der Mitte abgesetzt verlaufen, wie in Fig. 7 dargestellt ist, was für die Messung unbedeutend ist.

Mit den unabhängigen drei Ringlasern in den zueinander senkrechten Meßebenen können Drehungen des Kreisels gleichzeitig um alle Raumachsen mit Hilfe des Sagnac-Effektes detektiert und aufgezeichnet werden.

Claims

1. Diodengepumpter monolithischer Festkörper-Ringlaserkreisel mit einem Festkörpermaterial zur Verstärkung umlaufender Ringwellen und mit Grenzflächen zur Totalreflexion einer Resonatormode, wobei das Festkörperlasermaterial aus dotiertem Kristall- oder Glasmaterial besteht und mindestens eine geeignet gekrümmte Seite aufweist um die Resonatormode zu stabilisieren, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gegensinnig umlaufende Ringwellen in dem gemeinsamen Festkörperlasermaterial simultan verstärkt werden, wobei aus ihrer Differenzfrequenz eine Drehrate des Festkörper-Ringlaserkreisels ableitbar ist und wobei der Festkörper-Ringlaserkreisel zwei oder mehr Laserdioden aufweist, die abwechselnd das Festkörperlasermaterial an benachbarten Stellen optisch anregen um die Resonatormode gegenüber dem Festkörper- Lasermaterial in eine Drehbewegung zu versetzen.

2. Festkörper-Ringlaserkreisel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmte Zonen des Festkörpermaterials selektiv optisch angeregt werden, wobei das Volumen so klein gewählt ist, daß eine transversale Modenselektion erfolgt.

3. Festkörper-Ringfaserkreisel nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch zwei bzw. drei getrennte Dioden, die gleichzeitig das Modenvolumen und den daran angrenzenden Bereich anleuchten, wobei durch Änderung der Leistungsverhältnisse der Laserdioden und gleichzeitiger Messung der Ausgangsleistung bzw. der Strahllage des Ringlaserkreisels der Strahlverlauf optimiert wird, und dadurch eine Justierung des Strahlenganges des Resonators erfolgt.

4. Festkörper-Ringlaserkreisel nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Anordnungen von zwei oder mehr abwechselnd angesteuerten Laserdioden auf zwei gegenüberliegenden Seiten des Ringlaserkreisels angeordnet sind.

5. Festkörper-Ringlaserkreisel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der gegensinnig umlaufenden Ringwellen durch den Effekt der "frustrierten Totalreflektion" mittels einer oder mehrerer, an eine oder mehrere Grenzflächen nahe angeordneten, dielektrischen Platte oder Platten aus dem Resonator ausgekoppelt wird, wobei der Abstand zwischen der oder den Platte(n) und der oder den Grenzfläche(n) durch eine Bewegung der Platte(n) verändert werden kann, beispielsweise durch einen mikromechanischen Aktuator.

6. Festkörper-Ringlaserkreisel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Variation des Abstandes einer oder mehrerer eng an eine oder mehrere der Kristall- oder Glasgrenzflächen positionierten dielektrischen Platte(n), aufgrund des sogenannten Goos-Hähnchen-Shifts eine Änderung der örtlichen Modenausbreitung im Ringresonator und somit eine Frequenzverschiebung der gegensinnig sich ausbreitenden Ringwellen erzeugt wird.

7. Festkörper-Ringlaserkreisel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch eine in das Festkörperlasermaterial eingekoppelten Schallwelle eine Frequenzverschiebung einer der beiden gegensinnig umlaufenden Ringwellen gegenüber der anderen aufgrund der Dopplerverschiebung induziert wird.

8. Festkörper-Ringlaserkreisel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet dadurch, daß aus Symmetriegründen zwei Einheiten mit Platte zur Strahlauskopplung, Umlenkprisma und Photodetektor an zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Festkörperlasermaterials angeordnet sind.

9. Festkörper-Ringlaserkreisel nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Lasermaterial als ein Würfel oder Quader ausgelegt ist und drei unabhängige Ringlaser in den drei aufeinander senkrechten Schnittebenen des Würfels oder des Quaders aufgebaut sind, mit dessen Hilfe die Drehraten des Kreisels um alle drei Raumrichtungen erfaßbar sind.