DE3144805C2 - Verfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip - Google Patents

Abstract

Beim sogenannten Heterodynverfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip werden zwei Laserstrahlen mit konstanter Frequenzdifferenz benötigt. Unter Ausnutzung der Wechselwirkung transversaler Lasermoden werden in Teilbereichen eines einzigen Lasers Laserstrahlen mit konstanter Frequenzdifferenz erzeugt und ausgekoppelt.

Description

1. Verkippen und/oder dreidimensionales Verformen der Resonatorspiegel,

2. Änderung der Resonatorlänge,

3. sämtliche Möglichkeiten der mechanischen Verformung der Resonatorgeometrie, z. B. Querschnittsveränderungen und Durchbiegen des Plasmarohrs,

4. Verformung des aktiven Lasermediums,

5. Änderung der Resonatorsymmetric. z. B. des Reflexionsvermögens des Plasmarohres,

so 6. Kombination dieser Maßnahmen.

f" (fs+ Vo) —

Da vzf gemessen werden kann und /Sv. bekannt ist, kann aus (1) und (2) die Relativgeschwindigkeit bestimmt werden:

c{v_ZF -Av)
2 · v.

Je nach dem Wert der Differenz Av=*vs—vlo unter scheidet man zwei Verfahren:

Av = 0
Av ψ 0

Darüber hinaus besitzt die Strahlung der einzelnen Teilbereiche des Modenbildes unterschiedliche optische — vlo) + vd=Av+vd (2) Trägerfrequenzen, wobei die entsprechenden Diffe-55 renzfrequenzen durch die obengenannten Maßnahmen in weiten Bereichen einstellbar sind.

Mit Hilfe einfacher Verfahren, vgl. die Patentschrift DE-PS 3143 056, ,>Laser mit Intensitätsmodulation« können die Differenzfrequenzen bis auf einige Hz Banclbreite Iangzeit-stabilisiert werden. Die Kurzzeitschwankungen des Lasers wirken sich auf beide Laserstrahlen annähernd in gleicher Weise aus, so daß auch in dieser Hinsicht das neue Verfahren den bisherigen Verfahren klar überlegen ist. Aufgrund der einfachen Stabilisier rungsmaßnahmen mittels Regelkreisen kann die Meßgenauigkeit der Apparatur ohne wesentlichen Mehraufwand um mehrere Größenordnungen erhöht werden.
Die Vorteile der Erfindung gegenüber den bisherigen

Homodynverfahren
Heterodynverfahren

Verfahren liegen in der Tatsache, daß mit einem Bruchteil des bislang notwendigen technischen Aufwandes eine erheblich höhere Meßgenauigkeit bei der Bestimmung von Relativgeschwindigkeiten erreicht werden kann.

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Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip, unter Verwendung eines Laseroszillators zur Abstrahlung eines Sendesignals (ys) und Abgabe eines Oszillatorsignals (yLo) mit konstanter Frequenzdifferenz (Av) (=sogenanntes Heterodynverfahren), gekennzeichnet durch die Verwendung eines Wellenleiter- oder TEA-Lasers mit Einrichtungen zur gezielten Einflußnahme auf die Parameter des Laserresonators, wobei durch Ausnutzung der Wechselwirkung transversaler Lasermoden in Teilbereichen des Laseroszillators Laserstrahlen mit abstimmbarer, konstanter Frequenzdifferenz (Av) erzeugt und ausgekoppelt werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenzdifferenz (Av) der ausgekoppelten Strahlung durch Regelkreise iangzeiisiabilisiert wird.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Relativbewegungen mittels Laserstrahlung nach dem Dopplerradarprinzip, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Die Anwendung von Laserstrahlung für die Messung von Relativgcschwindigkeiten ist bekannt, A. Javan, E. A. BaIHk, W. L. Bond, J. Opt. Soc. Am, Vol. 52, No. 1, S. 96—98 (1962). Die Messung beruht auf dem Prinzip des optischen Überlagerungsempfang. Ein Laserstrahl (Sendestrah!) der Frequenz vs trifft auf ein bewegtes Objekt. Dieses streut einen Bruchteil der gesendeten Intensität auf die Empfangsoptik. Entsprechend der Relativgeschwindigkeit vr des Objekts zur Sende-/Empfangsapparatur ist die Frequenz ve der rückgestreuten Strahlung (Empfangssignal) um den Betrag «O»dopplerverschoben«. Es gilt:

^vn

2v„

c = Lichtgeschwindigkeit

Wird das optische Empfangssignal Ve=Vs+Vd mit dem Strahl der Frequenz vlo eines Lokaloszillators, der vom Sendestrahl einen Frequenzabstand Av hat, auf einem optischen Detektor überlagert, so ergibt sich ein elektrisches Signal der Zwischenfrequenz vzp:

Gegenüber dem Homodynverfahren bietet das Heterodynverfahren erhebliche Vorteile wie geringeres Rauschen. Allerdings ist es technisch aufwendig. Entweder man verwendet zwei verschiedene Laser, die durch umfangreiche Maßnahmen so stabilisiert werden, daß Av konstant bleibt, oder die Laserintensität eines Lasers wird in zwei Teilstrahlen (Sendestrahl und LO-Strahl) aufgespaltet Durch geeignete resonatorexterne Modulation (elektro-optisch oder akusto-optisch) eines Teil-Strahls erzielt man den notwendigen Frequenzversatz Av. In der Regel sind diese Modulationsverfahren sehr aufwendig und reduzieren sie die verwertbaren Strahlungsleistungen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Messung von Relativbewegungen nach dem Heterodynverfahren mit geringerem technischem Aufw?rrd zu bewerkstelligen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gelöst, wie es durch den Anspruch 1 gekennzeichnet ist. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung beruht auf der Ausnutzung der Wechselwirkung bzw. spontanen Kopplung transversaler Lasermoden, wie sie in den Patentschriften DE-PS 31 25 544 und DE-PS 31 43 057, die »Wellenleiter- und TEA-Laser« behandeln, beschrieben ist Basierend auf dieser Wechselwirkung transversaler Lasermoden können durch eine gezielte Einflußnahme (z. B. Ausblenden der Teilstrahlen, Verwendung von Auskoppelspiegeln örtlich unterschiedlicher Reflexion) aus einem einzigen Laserresonator Laserstrahlen mit geeigneten Differenzfrequenzen für das Heterodynverfahren erhalten werden.
Wie in der Patentschrift DE-PS 31 43 057 für den Spezialfall von Wellenleiter- und TEA-Laser beschrieben, kann die Laserstrahlung durch gezielte Veränderung der Parameter des Laserresonators hinsichtlich ihrer Amplitude, Frequenz und Polarisation verändert werden. Solche Maßnahmen sind