DE3123518A1 - Laser-drehgeschwindigkeitsmesser - Google Patents

Description

TELDIX GmbH Postfach 10 56 08 Grenzhöfer Weg 36 ■ 6900 Heidelberg 1

Heidelberg, 15. Juni 1981 PT-Ka/Ba E-490

Laser - Drehgeschwindigkeitsmesser

Die Erfindung betrifft einen Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser, bei walchem zwei Lichtstrahlen in einem Mohreck, an dessen Ecken Reflektoren angeordnet sind, gegenläufig umlaufen, wobei aus deren Frequenzdifferenz ein von der Drehgeschwindigkeit abhängiges Signal gewonnen wird, enthaltend einen Reflektor zur Lock-In-Unterdrückung, der als magnetooptisches Element ausgebildet und betrieben ist.

Es ist bekannt, daß mit Laser-Drehgeschwindigkeitsmessern inertiale Drehgeschwindigkeiten gemessen v/erden können, indem man die Frequenzdifferenz zwischen den sich gegensinnig ausbreitenden elektromagnetischen Wellen bestimmt. Es ist weiterhin bekannt, daß bei Eingangsdrehgeschwindigkeiten, die einen bestimmten Schwellwert unterschreiten, diese Frequenzdifferenz verschwindet und damit der Drehgeschwindigkeitsmesser seine Fähigkeit, kleine Drehgeschwindigkeiten zu messen, verliert. Diese Erscheinung wird als .Lock-In-Effekt bezeichnet. Zur Umgehung des Lock-In-Effekts wurden verschiedene Maßnahmen entwickelt, die im Prinzip alle darauf beruhen, dem Ringlaser eine Nullfrequenzaufspaltung aufzuzwingen, oder - mit anderen Worten - seinen Arbeitspunkt an eine Stelle außerhalb des Lock-In-Bandes zu verlegen.

Eine dieser Maßnahmen besteht in der Anwendung des magnetooptischen Kerreffekts. Hierbei wird dem Licht bei deiL^.⁶" _|γ

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flexion an der Grenzfläche zweier Medien, von denen mindestens eines gyrotrop sein muß, ein nichtreziproker (d.h. richtungsabhängiger) Phasensprung aufgezwungen.

Zwischen den sich gegensinnig ausbreitenden Wellen eines solchen Drehgeschwindigkeitsmessers wird demnach eine Phasensprungdifferenz erzeugt, die gemäß der Beziehung

zu der oben angeführten gewünschten Nullfrequenzaufspaltung führt.

Eine entsprechende Anordnung ist aus der US-PS 4 225 329 bekannt. Dort ist zusätzlich zu den üblichen Eckspiegeln ein magneto-optischer Metallspiegel in den Strahlengang eingebracht, auf den die Strahlen streifend auffallen.

Ein solcher Magnetspiegel muß neben einer ausreichenden Kerrwirkung auch ein ausreichend hohes Reflexionsvermögen besitzen, um als Resonatorspiegel dienen zu können. Diese beiden Forderungen verhindern die Anwendung reiner Metallspiegel aus ferromagnetischem Materie?., da sie zwar eine ausreichende Kerrwirkung, aber kein für die genannte Anwendung ausreichendes Reflexionsvermögen besitzen (typische Reflexionswerte liegen zwischen 40 und 70 ft>). Zur Abhilfe wird in der US-PS 4 225 239 gelehrt, das Reflexionsvermögen der reinen Metallfläche durch Aufbringen von dielektrischen Schichten zu erhöhen. Dies vermindert jedoch nicht unerheblich die Kerrwirkung eines solchen Spiegels, da aufgrund der Reflexion in den dielektrischen Schichten nur noch ein Bruchteil der einfallenden elektromagnetischen Welle bis zur magnetisierten Schicht gelangt. Der in der DE-OS 24 32 479 ebenfalls beschriebene Aufbau eines Kerrspiegels aus einer abwechselnden Folge von Viertelwellenlängenschichten eines dielektrischen und eines ferromagne-

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tischen Materials hat sich als technisch schwer realisierbar herausgestellt. Zur Umgehung dieser technischen Schwierigkeiten wird in der DE-OS 29 19 590 gelehrt, eine gyrdtrope Granatschicht vor einem dielektrischen Schichtsystem anzuordnen. Zum Aufbau eines solchen Spiegels ist jedoch eine Platte aus einem nichtmagnetisierten Granatmaterial erforderlich, auf deren strahlabgewandter Seite die gyromagnetische Schicht und die nachfolgenden dielektrischen Schichten geeignet aufgebracht werden. Daher sind trotz Antireflexionsbeschichtung an der strahlzugewandten Seite Reflexionsverluste nicht zu umgehen, ebenso wie Absorptionsverluste im Granatmaterial selbst.

Ein weiterer Nachteil aller bisher vorgeschlagenen Kerrspiegel besteht darin, daß zur Aufrechterhaltung der notwendigen Polarisationszustände der elektromagnetischen Strahlung zusätzlich besondere Vorkehrungen im Resonator getroffen werden müs s en.

Weiterhin ist die Herstellung von dielektrischen Schichtsystemen mit hohem Reflexionsgrad für p-polarisiertes Licht, wie es beispielsweise beim magneto-optischen Kerreffekt mit ■cransversaler Richtung des Magnetfelaes verwendet wird (Magnetfeldvektor senkrecht zur Strahleinfallsebene) schwieriger als für beispielsweise s-polarisiertes Licht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein magneto-optisches Element zu schaffen, welches unter Ausnutzung des magneto-optischen Kerreffekts eine möglichst große Phasensprungdifferenz und daraus folgend eine möglichst große Frequenzaufspaltung der gegensinnig umlaufenden elektro-magnetischen Wellen erzeugt und eine hohe Reflektivität für die verwendete Laserstrahlung besitzt.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die im Anspruch 1 angegebenen

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Merkmale.

Die erfindungsgemäße Lösung hat zusätzlich den Vorteil, daß ohne weitere Hilfsmittel der gewünschte Polarisationszustand der elektromagnetischen Wellen aufrecht erhalten wird und daß sie einfach herzustellen ist.

Wie im Anspruch 1 angedeutet, kann entweder das Prisma selbst oder die angrenzende Schicht aus gyrotropem Material bestehen oder es können auch beide Materialien gyrotrop sein| auf dieses Material wirkt das Magnetfeld ein, wodurch es zum inagneto-optischen Kerreffekt kommt.

Entgegen der Anordnung der eingangs genannten US-PS 4 225 239 wird der erfindungsgemäße Reflektor bei dreieckig oder quadratisch angeordnetem Umlaufpfad als Eckreflektor und nicht als zusätzlicher Reflektor benutzt.

Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung erläutert.

Der in Pig. 1 dargestellte Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser besteht aus einein optischen Verstärker 1, einem Spiegel 2, einem teildurchlässigen Spiegel 3» einem weiteren Spiegel 4, einem Strahlteiler 4a, dem erfindungsgemäßen Reflektor 5 und einem Detektor 7 für die Messung der Frequenzdifferenz der Wellen. Die gegensinnig umlaufenden Laserstrahlen sind mit 8 und 9 bezeichnet. Die Reflektoren 2, 3 und 5 sind so ausgebildet und angeordnet, daß die dargestellten Umlaufpfade zustände kommen. Der Strahl 9 wird am Spiegel 2 reflektiert, vom Spiegel 3 teilreflektiert und der verbleibende Anteil vom Reflektor 5 zum optischen Verstärker 1 zurückgeführt. Der vom Spiegel 3 durchgelassene Teil gelangt zum Detektor 7.

Der Strahl 8 wird im Reflektor 5 umgelenkt, vom teildurchlässigen Spiegel 3 teilweise zum Spiegel 2 umgelenkt und von

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dort zum optischen Verstärker rückgeführt. Der vom teildurchlässigen Spiegel durchgelassene Anteil wird vom Spiegel 4 auf den Strahlteiler 4a gelenkt und ein Teil davon ebenfalls zum Detektor 7 umgelenkt.

Zur Unterdrückung des Lock-In-Effekts ist der Reflektor 5 in besonderer Weise aufgebaut. Er besteht aus einem Prisma 5a eines bestimmten Brechungsindexes n^j dessen Seitenflächen 5b sind so geneigt, daß wegen Erfüllung der Brewster-Bedingung keine Reflexion der auftreffenden Strahlen (8 bzw. 9) erfolgt. Auf die Basisfläche 5d des Prismas ist eine Schicht 5c eines gyrotropen Materials aufgebracht; dieses Material hat einen Brechungsindex n₂, der kleiner als der des Material« des Prismas 5a ist. Damit kommt es εη der Grenzschicht 5d zwischen Prisma 5a und Schicht 5c bei entsprechendem großem Einfallswinkel (nicht so dargestellt) zur Totalreflexion der Strahlen. Da außerdem wegen des anliegenden Magnetfelds senkrecht zur Zeichenebene verlaufend und nicht dargestellt der Kerreffekt auftritt, erfahren die Strahlen (9 und 8) Phasensprünge in entgegengesetzte Richtung. Dies ermöglicht es, auch geringe Drehgeschwindigkeiten der Anordnung noch zu sensieren.

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Claims (1)

1. - £-- E-490

   Patentansprüche I μαοηομ«βοητ|

   Laser-Drehgeschwindigkeitsmesser, bei welchem zwei Lichtstrahlen in einem Mehreck, an dessen Ecken Reflektoren angeordnet sind, gegenläufig umlaufen, wobei aus deren Prequenzdifferenz ein von der Drehgeschwindigkeit abhängiges Signal gewonnen wird, enthaltend einen Reflektor, der als magneto-optisches Element ausgebildet und betrieben ist zur Lock-In-Unterdrückung, dadurch gekennzeichnet, daß der als magnet o-optisches Element ausgebildete Reflektor (5) ein Prisma (5a) enthält, an dessen Basisgrenzfläche (5d) eine Schicht (5c) eines Materials mit gegenüber dem Prismenmaterial kleinerem Brechungsindex angrenzt, daß wenigstens eines dieser Materialien ein gyrotropes Material ist und daß das Prisma '(5a) derart ausgebildet ist, daß einerseits beim. Lichteintritt an den beiden Seitenflächen (5b) durch Einhaltung der Brewster-Bedingung nahezu keine Reflexion erfolgt und andererseits der Auftreffwinkel der Strahlen auf die Grenzschicht (5d) zwischen Prisma (5a) und der Schicht (5c) so groß ist, daß Totalreflexion auftritt.

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