CH651157A5

CH651157A5 - Ringlaser.

Info

Publication number: CH651157A5
Application number: CH8706/79A
Authority: CH
Inventors: David C Jun Grant; Thomas Joe Hutchings
Original assignee: Litton Systems Inc
Priority date: 1978-10-02
Filing date: 1979-09-27
Publication date: 1985-08-30
Also published as: IT1164049B; IT7950401A0; GB2032169A; JPS584475B2; GB2032169B; FR2438357B1; SE449664B; JPS5821385A; IL57936A; DE2939804A1; JPS5548989A; JPS5910078B2; FR2438357A1; CA1133615A; SE7908117L

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ringlaser. ein Verfahren zur Justierung desselben sowie auf eine Verwendung des Ringlasers.

Es ist bekannt, einen ebenen Ringlaser als Gyroskop zu verwenden. Bei Ringlasergyroskopen wird typischerweise ein drei- oder vierseitiger Laserweg gewählt. Der Laserweg wird durch Bohrungen innerhalb eines Lasergehäuses, welches meistens aus hochstabilem Glas gefertigt ist. gebildet.

Die Laserspiegel sind an den Stellen angeordnet, wo die Bohrungen die Richtung wechseln. Die Bohrungen erstrecken sich von Spiegel zu Spiegel, wobei diese Bohrungen genügend gross sind, um eine Vignettierung des Laserlichtes zu verhindern.

Um den Ringlaser so anzuregen, damit zwei Laserstrahlenbündel in entgegengesetzten Richtungen erzeugt werden, ist es üblich, mindestens eine Kathode irgendwo am Gehäuse anzubringen, wobei am Gehäuse Anoden zusammen mit Kanälen vorgesehen sind, welche die Anoden und die Kathoden in den Bohrungen in einer geometrischen Konfiguration verbinden, wobei eine Bewegung von Ionen und Elektronen zwischen der Kathode und den Anoden die Laserwirkung erzeugt.

Das Lasergas innerhalb der Bohrungen ist typischerweise eine Mischung von Helium und Neon bei sehr kleinem Druck. Eine genügend hohe Spannung zur Ionisation des Gases zwischen der Kathode und den Anoden wird an die Kathode und die Anoden angelegt und bewirkt eine Wanderung von Elektroden von der Kathode zur Anode und von positiven Ionen von den Anoden zur Kathode innerhalb des Lasergases, wobei das Lasergas angeregt wird. Der Laser wird auf die gewünschte Laserfrequenz durch Justierung der Laserlänge eingestellt.

Es ist in der Regel wünschenswert, dass nur der TE M no-Mode oder axiale Schwingungen auftreten. Aus diesem Grunde ist einer der Spiegel mit einer Blende versehen, um nichtaxiale Schwingungen zu unterdrücken.

Wenn zwei Laserschwingungen gleichzeitig auftreten, wobei sich die beiden in entgegengesetzter Richtung ausbreiten, so kann dieser Laser als Gyroskop verwendet werden, um die Rotation des Lasergehäuses um eine Achse senkrecht zur Ebene des Laserweges zu detektieren.

Um die Länge des Lasers abzustimmen, wird üblicherweise einer der Spiegel z.B. mit einem Schraubenmechanismus nach innen bewegt, bis die Amplitude der Laserschwingung einen Spitzenwert aufweist. Die durch einen teilweise durchlässigen Spiegel ausgekoppelte Laserstrahlung kann zur Einstellung der Lage des Abstimmspiegels verwendet werden.

Der Laserstrahl wird durch einen Spiegel mit einem grossen Radius fokussiert, um einen Laserstrahl mit einem im wesentlichen gleichförmigen Querschnitt zu erzeugen. Dies ist bekannt aus «The Laser» von William V. Smith und Peter P. Sorokin, Fig. 2-4 D. McGraw-Hill 1966.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten Ringlaser mit einer neuen Abstimmanordnung zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren

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zur Justierung der Länge des Laserweges eines Ringlasers zu schaffen.

Gemäss einer weiteren Aufgabe der Erfindung soll ein Ringlaser geschaffen werden, der als Gyroskop verwendet werden kann.

Dies wird erfindungsgemäss erreicht durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Patentansprüche 1, 10 und 13.

Vorzugsweise wird in einem vierseitigen Laserresonator der ebene Spiegel gegenüber dem konkaven Spiegel, welcher mit einer Blende versehen und geneigt ist, angeordnet. Der geneigte ebene Spiegel und der konkave Spiegel können zusammen nach oben und unten bewegt werden, bis der gewünschte Lasereffekt eintritt. Danach können sie fixiert werden. Die Neigung beträgt vorzugsweise eine bis drei Bogenminuten in Abhängigkeit von der Laserlichtwellenlänge. des Bohrungsdurchmessers und des Lasermodevolumens. Die Resonatorlänge muss mindestens um eine halbe Wellenlänge geändert werden können, ohne dass das Modevolumen durch die Wandungen der Bohrungen beeinträchtigt wird und ein wesentlicher Verlust in der Laserverstärkung auftritt. Bei der Neigung eines Spiegels, um die Länge der Laserstrecke zu ändern, wird die Ebene der Laserstrecke um den gleichen Winkel geneigt wie der Spiegel. Bei einem Gyroskop muss die empfindliche Achse senkrecht zur Ebene des Laserweges sein. Um einen als Gyroskop brauchbaren Laser zu schaffen, muss die Basis des Gyroskops um den gleichen Neigungswinkel abgeschrägt werden, so dass die Montagebasis parallel zur Ebene des Laserstrahlen aussendenden Gases ist.

Mit der Verbesserung zur Justierung kann das Ringlasergyroskop sehr klein gefertigt werden, wobei die Länge jeder Seite des Laserweges im wesentlichen kleiner als 2.54 cm ist. Bei einem solchen kleinen Laser weist die Kathode des Lasers Abmessungen in der gleichen Grössenordnung wie der Laserblock selbst auf. Die Kathode muss gross genug gefertigt werden, um einen ausreichenden Strom innerhalb der Bohrungen mit dem verstärkenden Medium zu erzeugen, damit die erforderliche Energie dem Laser zugeführt werden kann. Ein Kathodenblock mit einer beschichteten halbkugelförmigen Kathode, die in einer Vertiefung im Kathodenblock ausgebildet ist, wird vorzugsweise am Boden des Laserblockes befestigt. Vom Mittelpunkt der durch die Kathodenoberfläche definierten Kugel wird vorzugsweise ein Durchgang nach oben in den Laserblock geführt und von da direkt nach aussen zum Laserring. Ein Paar Anoden sind symmetrisch angeordnet. um die Elektronen und Ionenwege aufzuspalten und in zwei Richtungen durch die Bohrungen mit dem verstärkenden Medium zu leiten. Die Anoden sind vorzugsweise ausserhalb des Laserweges angebracht, wobei ein im Laserblock angeordneter Kanal die Oberfläche der Anoden mit dem Laserweg verbinden kann.

Die Spannung zwischen Kathode und den Anoden erzeugt die Ionisation des Gases innerhalb der Kathodenhalbkugel und nach aufwärts, durch den im wesentlichen vertikalen Durchgang, und danach nach aussen zum Laserweg und durch die Bohrungen für das verstärkende Medium in verschiedene Richtungen, und alsdann zu den Oberflächen der Anoden.

Um den Laser mit seiner senkrecht zur Ebene des Laserweges angeordneten, den Richtungssinn bestimmenden Achse zu justieren, kann die Ebene des Bodens des Kathodengehäuses parallel zur Ebene des Laserweges ausgeführt werden, um eine leichte Justierung des G\roskops zu ermöglichen.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen

Fig. I eine Aussenansicht eines typischen Laserblockes.

der mit einem Kathodenblock zusammengefügt ist, wobei der Evakuierstutzen abgeschmolzen ist.

Fig. 2 einen Querschnitt gemäss Linie 2-2 der Fig. 1.

Fig. 3 eine Draufsicht gemäss Linie 3-3 der Fig. 1.

Fig. 4 eine schematische Darstellung eines konkaven Spiegels und des gegenüberliegenden ebenen Spiegels in der Vorrichtung gemäss Fig. 1.

Fig. 5 eine schematische Darstellung der Beziehung zwischen der Krümmung des konkaven Spiegels und der Verschiebung der Laserebene.

Fig. 6 in schematischer Darstellung die Verschiebung der Laserstrahlen bei Verschiebung des konkaven Spiegels und des gekippten ebenen Spiegels.

Fig. 7 in vergrösserter Darstellung ein Detail der Fig. 6.

Fig. 8 die Einstellung des Winkels der Basis des Kathodenblocks parallel zur Laserebene für die Verwendung als Ringlasergyroskop.

In den Figuren ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel des Ringlasers dargestellt, welcher als Gyroskop verwendet wird. Der Laser weist einen Laserblock 10 und einen Kathodenblock 12 auf. die vorzugsweise aus Glaskeramik hergestellt sind. Typische verwendbare Glaskeramiken sind unter den Markennamen CERVIT, ZERODUR und ULE bekannt. Diese Materialien weisen praktisch keine Ausdehnung im üblichen Bereich des Lasers auf. Der Laserweg 14 ist im Laserblock 10 angeordnet. Der Kathodenblock 12 trägt die Kathode 16 und der Laserblock 10 zwei Anoden 52 und 54. Die Spannung zwischen der Kathode und den Anoden ionisiert das Lasergas, um die Laserenergie zu liefern. Die Stromversorgung zur Lieferung der zwischen die Anoden 52, 54 und ,die Kathode 16 anzulegende Spannung ist nicht dargestellt. Irgendeine typische DC-Stromversorgungseinrichtung kann verwendet werden, wobei der positive Pol mit den Anoden 52 und 54 und der negative Pol mit der Kathode verbunden wird. Der Laserblock 10 und der Kathodenblock 12 werden durch Atmosphärendruck und ein Dichtemittel wie Indiumlot zusammengehalten.

Der bevorzugte Laserweg 14 ist rechtwinklig, im speziellen ein im wesentlichen quadratischer Laserweg, wie in den Figuren dargestellt. Der Laserblock ist typischerweise quadratisch, wobei jedoch nichtbenützte Teile des Blockes weggelassen werden können, um die Kosten und Fabrikationsschwierigkeiten zu minimalisieren. so dass der resultierende Block wie dargestellt als Achteck ausgebildet ist. An vier Seiten des quadratischen Laserblockes oder abwechslungsweise an nicht aneinanderliegenden Seiten des achteckigen Laserblockes an den Schnittpunkten der Zweige sind vier Spiegelblöcke 22, 24, 26 und 28 angebracht, welche auf der Innenseite Spiegelflächen zur Reflexion des Laserstrahls aufweisen. Mindestens einer der Spiegel ist teilweise durchlässig, damit der Laserstrahl austreten kann. Mindestens einer der Spiegel ist mit einer Blende versehen, um die Erzeugung nichtaxialer Schwingungen (Modes) zu verhindern, wobei einer der Spiegel 22 mit einem geeigneten Krümmungsradius konkav ausgebildet ist. um den Laserstrahl zu fokussieren.

Die Erzeugung von Laserstrahlung erfolgt in einer Mischung von Helium-Neon-Gas bei einem sehr kleinen Druck von 4,27 x 102 Pa. Die Gasmischung besteht typischerweise aus 20 Teilen Helium und 1 Teil Neon 20 und einem Teil Neon 22. Zur Aufnahme des Lasergases sind vier im wesentlichen koplanare Kanäle 30a. b, c und d. in den die Spiegel verbindenden Laserblock lOgebohrt. Die Bohrungen weisen einen genügend grossen, Durchmesser auf. damit die Ebene des Laserstrahls verschoben und um einen kleinen Winkel, typischerweise in der Grössenordnung von 3 bis 5 Bogenminuten geneigt werden kann, ohne den Laserstrahl zu stören. Die Kanäle könnten parallel zum Laserstrahl schräggestellt werden.

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Innerhalb des Gebietes, dessen äussere Begrenzung durch den Laserstrahl definiert ist und vorzugsweise im Zentrum des Laserblockes 10 befindet sich ein Kanal, der senkrecht zur Ebene der Kanäle 30a, b, c und d steht. Dieser Kanal weist zwei Teile 32,34 auf, wobei der eine nach oben im Laserblock und der andere zum Hohlraum führt, der durch die Kathodenoberfläche 16 gebildet wird. Die Kanäle 32 und 34 sind mit den Kanälen 30a, b, c und d durch einen weiteren Kanal 36 verbunden, welcher typischerweise im wesentlichen in der Ebene der Kanäle 30a, b, c und d befindlich ist.

Im Gebiet der Spiegel 22, 24, 26 und 28 sind vier Kammern 38,40, 42 und 44 angeordnet, welche Endbereiche für die Zweige 30a, b, c und d der Laserkanäle bilden und die gross genug sind, um eine Beeinflussung des Laserlichtes zu verhindern. Der Hohlraum 40 ist durch den Kanal 36 mit den Kanälen 32 und 34 verbunden.

Der Kanal 34 ist vorzugsweise auf die halbkugelförmige Kathodenoberfläche zentriert. Obschon der Kanal 34 als senkrecht zur Ebene des Laserwegs 14a, b, c und d dargestellt ist, könnte derselbe auch geneigt sein. Der Kanal erstreckt sich zur äusseren Oberfläche des Laserblocks 10, wo er von einem Glas- oder Metallstutzen umgeben ist, der mit dem Laserblock dicht verbunden ist. Mit dem Kanal 32 werden die übrigen Kanäle evakuiert, wobei seine Lage im Zentrum des Laserblockes nicht kritisch ist. Passenderweise werden die Kanäle 32 und 34 kollinear durch einen einzigen Durchgang eines zweckmässigen Glasbohrers geformt. Der Kanal 32 kann, obschon er in den Figuren senkrecht zum Laserweg 14a, b, c und d dargestellt ist, geneigt angeordnet werden.

Der Stutzen 50 wird zum Evakuieren des Systems und zum Wiederfüllen desselben mit dem gewünschten Gas bei kleinem Druck verwendet. Wenn der Stutzen 50 aus Metall besteht, kann er auch als Anode verwendet werden. Der Kanal 32 ist durch den Kanal 34 mit dem Gebiet innerhalb der Kathodenoberfläche 16 durch den Kanal 36 mit den Laserrohren 30a, b, c und d verbunden. Eine nichtdargestellte Vakuumpumpe kann an den Stutzen 50 angeschlossen werden, um die Luft aus dem System zu entfernen. Im weiteren kann ein nichtdargestellter Getter innerhalb des Stutzens 50 oder innerhalb des Bereichs der mit dem Stutzen 50 verbundenen Kanäle (nicht dargestellt) angebracht werden. Nachdem das System evakuiert und gegettert ist, wird das gewünschte Lasergas in das System bei einem sehr kleinen Druck gefüllt, wobei der Stutzen abgeschmolzen wird, um das System zu dichten. Der Kathodenblock 12 wird auf dem Laserblock 10 durch den resultierenden kleinen Druck innerhalb der durch die Kathodenoberfläche 16 gebildeten Kammer und durch ein Dichtungsmaterial wie Indiumlot gehalten.

Im Bereich der Abteilung 38 und 42 ist ein Paar Anoden 52 und 54, die als metallische Leiter ausgebildet sind, angeordnet, die sich von der Aussenseite des Laserblocks 10 nach innen in die Kammern 38 und 42 erstrecken.

Beim Anschliessen einer Spannung mit dem positiven Pol an die Anoden 52 und 54 und dem negativen Pol an die Kathode 16 beginnen Elektronen und Ionen von der Kathode zur Anode, von der Anode zur Kathode auf dem Weg, der durch die Kathodenkammer 16 und die Kanäle 34 und 36 gebildet wird, in die Abteilung 40 zu wandern. Beim Abteil 40 teilt sich der Weg auf. Ein Teil der Ionen-Elektronendrift geht in einer Richtung durch eine Verstärkungsbohrung vom Abteil 40 zum Abteil 38 und weiter zur Anode 52. Der andere Teil der Drift geht vom Abteil 40 durch die Verstärkungsbohrung 30b zum Abteil 42 und weiter zur Anode 54. Die Bewegung der Elektronen und Ionen in zwei Richtungen innerhalb der Verstärkungsbohrungen regt das darin befindliche Gas auf einen höheren Energiezustand an. Beim Rückgang auf einen tieferen Energiezustand wird Licht bei einer Frequenz, auf welche der Laser abgestimmt ist, erzeugt. Energie wird dem Laser durch eine Quelle zugeführt, welche an die Kathode 16 und die Anoden 52 und 54 angeschlossen ist.

Die Länge des Laserresonators wird abgestimmt, indem der gekrümmte und mit einer Blende versehene Spiegel bewegbar angeordnet ist. Einer der beiden bewegbaren Spiegel ist um einen Pyramidenwinkel geneigt, so dass eine Aufwärts- respektive Abwärtsbewegung dieses Spiegels denselben ebenfalls relativ zum Laserweg nach innen oder aussen bewegt, um das Laseraussignal auf Höchstwert zu bringen.

Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der mit einer Blende versehene Spiegel nach innen um einen kleinen Winkel, der typischerweise zwischen 3 und 5 Bogenminuten beträgt, geneigt, so dass eine Bewegung des konkaven Spiegels 22 in einer Richtung senkrecht zu den Kanälen 30a, b, c und d und dem mit einer Blende versehenen Spiegel 26, um die Öffnung im Laserweg einzuhalten, den Laserweg verlängert und verkürzt.

Ein Pyramidenwinkel zwischen zwei Ebenen wird definiert als 90° minus den Dihedralwinkel zwischen diesen Ebenen. Ein Dihedralwinkel wird im «Mathematics Dictionary», dritte Auflage von James and James, publiziert durch Van-Nostrand & Company, definiert. «Die Vereinigung einer Linie und zwei Halbebenen, welche diese Linie als gemeinsame Kante aufweisen. Die Linie ist die Kante des Flächenwinkels und die Vereinigung der Linie und eine der Ebenen ist eine Stirnfläche. Ein Flächenwinkel eines Dihedralwinkels ist ein durch die zwei Strahlen gebildeter Winkel, welche die Schnittlinien der Ebenen des Dihedralwinkels mit einer Ebene senkrecht zur Kante bilden. Jede beliebigen zwei Flächenwinkel sind kongruent. Ein Mass eines Dihedralwinkels ist ein Mass eines seiner Flächenwinkel.» Der Dihedralwinkel zwischen dem gekippten Spiegel und der Ebene, definiert durch die Kanäle 30a, b, c und d und den zwei parallelen ebenen Spiegeln auf den Spiegelblöcken 24 und 28, beträgt etwas weniger, aber fast 90° und weicht von 90° um den Pyramidenwinkel der Ebene des gekippten Spiegels ab, der typischerweise sehr klein ist. Der Pyramidenwinkel hängt von der Laserwellenlänge, dem Durchmesser der Verstärkungsbohrung und dem Lasermodevolumen ab. Die Resonatorlänge muss mindestens um eine halbe Wellenlänge des Laserlichtes geändert werden können, ohne dass das Modevolumen durch die Verstärkungsbohrungen derart beeinflusst wird, dass ein wesentlicher Verlust in der Laserverstärkung auftritt. Wenn der konkave Spiegel nach oben und unten bewegt wird, wird der Laserweg ebenfalls nach oben und unten bewegt, wobei er auf verschiedene Teile des geneigten Spiegels auftrifft und diese Teile einen grösseren oder längeren Weg für den Laserstrahl bilden. Beim Auftreffen auf einen anderen Teil des geneigten Spiegels würde der auf der Achse befindliche Strahl durch die Blende ausgelöscht werden, falls nicht der geneigte Spiegel ebenfalls bewegt wird, um die Blendenöffnung wieder mit derruLaserstrahl auszurichten.

Wenn alle ebenen Spiegel 24, 26 und 28 mit ihren Spiegelflächen senkrecht zur durch die Ebene der Kanäle 30a, b, c und d definierten Ebene wären, so würde eine Bewegung des, konkaven Spiegels 22 nach oben und unten nur den Laserstrahl nach oben und unten bewegen, ohne die Länge des Laserweges zu verändern. Wenn die ebene Fläche des Spiegels 26 um einen Pyramidenwinkel geneigt ist, so wird die ganze Ebene des Laserweges um diesen kleinen Pyramidenwinkel nach oben gekippt, so dass die Ebene des einfallenden und reflektierten Laserstrahls auf dem geneigten Spiegel senkrecht zur Oberfläche des Spiegels ist. Dies bewirkt, dass sich die Schnittstelle des Laserstrahls mit dem konkaven Teil des konkaven Spiegels 22 auf der konkaven Oberfläche bewegt. Wenn die konkave Fläche eine Kugelfläche ist, so wird der Betrag der Verschiebung durch den Radius des konkaven Spiegels und den oben erwähnten Pyramidenneigungswinkel des ebenen Spiegels 28 bestimmt.

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Abwechslungsweise könnte der Block 22, welcher die konkave Spiegeloberfläche trägt, nur nach innen um den kleinen Pyramidenwinkel geneigt werden, wobei die Bewegung des Blockes 22 nicht nach oben und unten, sondern als Verkippung nach innen um den kleinen Pyramidenwinkel die Laserweglänge verkürzen und verlängern und den Schnittpunkt des Laserweges auf den Spiegeln 24, 26 und 28 verschieben würde. Der Spiegel 26 müsste auch nach oben und unten bewegt werden, um die Blendenöffnung mit dem neuen Laserweg auszurichten. Die Bohrungen, durch welche sich der Laserstrahl ausbreitet, müssen für die beschriebenen Änderungen in der Lage gross genug sein.

Mit dem beschriebenen Aufbau kann ein sehr kleines Lasergyroskop konstruiert werden. Die Summe der Längen der vier Seiten 14a, b. c und d kann z.B. 6,8 cm betragen.

Die Kathodenoberfläche 16 wird typischerweise aus Aluminium hergestellt, wobei Indiumlot mit dem Aluminium verbunden und bei 60 und 62 angebracht werden kann, so dass eine negative Spannung an die Aluminiumkathode 16 angelegt werden kann.

Der Evakuier- und Füllstutzen 50 wird aus einem Glasrohrteil hergestellt, welcher am Boden konisch erweitert ist, damit ein aktiviertes Radiofrequenzgetter untergebracht werden kann. Der Evakuier- und Füllstutzen könnte auch kleiner sein, als aus den Figuren ersichtlich. Er könnte auch als Metall hergestellt sein, wobei der Evakuier- und Füllstutzen als Anode verwendet werden könnte.

Die Montageflächen des achteckigen Laserblockes 10 betragen quer typischerweise nur 1 cm und die Spiegelblöcke 22. 24,26 und 28 weisen einen Durchmesser von typischerweise 0,8 cm oder weniger auf. Die Spiegelflächen selbst weisen einen Durchmesser von typischerweise 7,75 mm und eine Dicke von 4 mm auf. Die gekrümmte konkave Spiegeloberfläche des Blockes 22 weist einen sehr langen Krümmungsradius in der Grössenordnung von 60 cm auf. Der Spiegel 26 ist mit einer Blende versehen, damit nichtaxiale Moden unterdrückt werden und nur der TEMuo-Mode anschwingt. Die Aussendung von Laserstrahlen findet am besten statt, wenn die Öffnung des geneigten Spiegels 26 ausgerichtet ist, so dass der auf die äussere Öffnung des Spiegels 26 senkrechte Strahl ebenfalls auf einem Radius des gekrümmten Spiegels 22 befindlich ist. Die Spiegelblöcke 22, 24, 26 und 28 wie auch der Kathodenblock 12 sind typischerweise mit Indium-Gold-Metallot abgedichtet. Der Körper des Laserblocks 10 besteht aus glaskeramischem Material, welches einen sehr tiefen Ausdehnungskoeffizient über den Bereich der gewünschten Temperatur aufweist (vorzugsweise gleich Null).

Das Reflexionsvermögen der Spiegelbeschichtung liegt typischerweise bei 99,94"o. Die Transmission beträgt typischerweise weniger als 0,1 °o, wobei die Streuverluste typischerweise in der Grössenordnung von 100 ppm liegen. Ein typischer minimaler Laser-Anoden-Kathoden-Schwellstrom liegt in der Grösse von 0,5 bis 2,5 Milliampère. Die Abstimmung wird durchgeführt, indem die Spiegelblöcke mit Wachs festgemacht werden und die Spiegelblöcke 22 und 26 bewegt werden. Nachdem der Laser abgestimmt wird, werden die Lagen der Spiegelblöcke gemessen, die Spiegel und der Wachs entfernt und alsdann die Spiegelblöcke genau durch Indium-Gold-Abdichtelot verlötet.

Die Resonanzfrequenz ist eine optische Frequenz, die typischerweise bei 10'4 Hz liegt. Bei normalem Gebrauch ist es wünschenswert, dass die Resonanzfrequenz des Resonators auf die Mitte der Verstärkungskurve oder so nah als möglich zur Mitte auf einen Bruchteil der Wellenlänge abgestimmt wird. In den Fig. 4. 5. 6. 7 und 8 ist der Pyramidenwinkel durch a dargestellt. In Fig. 6 sind zwei Laserwege gezeigt, wobei einer durch 14a, b, c und d und der andere durch 14e, f, g und h bezeichnet ist. Der Laserweg beschreibt nominell ein Quadrat, eine Bewegung des Laserweges nach unten verändert jedoch die Weglänge von demjenigen durch 14a, b, c und d bezeichneten, zu demjenigen, welcher durch den längeren Weg 14e, f, g und h dargestellt ist. Die Beziehung zwischen der Spiegelbewegung und der Weglänge ist graphisch in Fig. 7 dargestellt. Es gelten zwei Einschränkungen: erstens darf der Laserstrahl nicht durch die Laserbohrungen 30a, b, c und d vignettiert werden, und zweitens muss der Laserstrahl innerhalb der Blendenöffnung des Spiegels auf dem Spiegelblock 26 liegen. Ein Aufriss der Fig. 6 ist in Fig. 4 dargestellt.

In einer ersten Näherung, wenn die Resonatorlänge um eine Distanz, die gleich der Wellenlänge dividiert durch die nominelle Weglänge (6 x 10~5 cm/6,8 cm oder etwa 0,001%) ist, so bewirkt eine Verschiebung h (Fig. 4) eine Verschiebung der Blendenöffnung des geneigten Spiegels 26 um eine Distanz d = h tan u nach innen. Die gewünschte Bewegung in den Richtungen, die in der Fig. 7 durch «s» angegeben sind, liegt in der Grösse von 1 : der Wellenlänge des Laserlichtes. Aus Fig. 7 ist ersichtlich, dass s = 0,707d (es wird ein quadratischer Laserweg angenommen) und d gleich der Wellenlänge dividiert durch 1,414, was 6,33 x 10~ä cm entspricht.

Der Laserstrahldurchmesser dB beträgt weniger oder gleich 0,089 cm, währenddem die Bohrungen 30a, b, c und d typischerweise einen Durchmesser d„ aufweisen, der wenigstens 0,1778 cm beträgt. Die totale zulässige Bewegung von d, Ad beträgt 0,0880 cm, während h= ±0,0440 cm ist. Daraus kann der Winkel a berechnet werden als Verhältnis von d zu h oder 1,017 x 10"3 Radian, was etwa 3,49 Bogenminuten beträgt.

In Fig. 5 ist die Krümmung der Oberfläche übertrieben und der Radius R nicht im richtigen Verhältnis dargestellt. Der Radius des konkaven Spiegels auf dem Block 22 ist sehr kurz gezeichnet, wobei er in Wirklichkeit bei 60 cm liegt. Die Lage des Strahles auf der gekrümmten Spiegelfläche vom Totpunkt, wo a gleich null beträgt, bis zu einem Punkt Ar vom Zentrum entfernt, Ar = aR = (l,017x 10~3)(60) = 0,061 cm. Der Strahlradius beträgt 0,0898 cm geteilt durch 2 oder gleich 0,0449 cm. Wenn der Strahl um eine Distanz Ar = 0,061 cm verschoben wird, so liegt die Strahlkante in einer Distanz von 0,1059 cm vom Zentrum des gekrümmten Spiegels entfernt. Der gekrümmte Spiegel weist eine Blendenöffnung in der Grösse von typischerweise 0,4 cm oder einen Radius von 0,2 cm auf. Demgemäss ist ein Spielraum von 0,2-0,11 =0,09 cm vorgesehen. Dadurch wird eine Grenze für den Betrag des erlaubten Ansteigens des Winkels a auf 0,09/60= 1,5 x 10-3 Radian festgesetzt, die zulässige Verschiebung des Laserstrahls auf der Fläche des gekrümmten Spiegels 22. Im weiteren beschränken die Bohrungen 30a, b, c und d den Betrag, um welchen die Spiegel verschoben werden können. Wenn der Spiegel gekippt wird, wird die Ebene des Laserweges ebenfalls um einen Winkel a gekippt, wobei die Basis des Kathodenblocks 12, wie in Fig. 8 gezeigt, ebenfalls um den gleichen Winkel geneigt werden muss, so dass die Basis parallel zur Laserebene liegt. Die Basis des Kathodenblocks 12 kann z.B. in einem Führungssystem angebracht werden. Das aus der Information des Ringlasers bestimmte Winkelmass ist ein Winkel und ein Winkelverhältnis, welche beide senkrecht zum Laserweg und zur Befestigungsfläche gemessen werden.

Obschon ein quadratischer Laserweg dargestellt wird, könnte auch ein rechteckiger oder ein viereckiger Weg verwendet werden. Die Idee der Erfindung sollte bei solchen Wegen angewendet werden, wo mindestens einer der Spiegel um einen Pyramidenwinkel gekippt wird.

Es könnte auch ein dreiseitiger oder ein mehrseitiger Laserweg mit mehr als vier Zweigen verwendet werden, wobei mindestens einer der Spiegel einen kleinen Pyramidenwinkel aufweist, so dass ein Verschieben des konkaven Spiegels den Laserweg verkürzt oder verlängert und eine Blendenöffnung auf dem konkaven Spiegel vorgesehen ist.

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PATENTANSPRÜCHE

1. Ringlaser mit Mitteln zur Erzeugung eines Laserstrahles in einem geschlossenen Weg, gekennzeichnet durch mindestens drei Spiegel (22, 24,26,28) zur Führung des Laserstrahles, wobei mindestens einer der Spiegel (22) konkav und mindestens einer der Spiegel (24,26, 28) im wesentlichen eben ist, Mittel zum Verschieben des konkaven Spiegels in einer Richtung, die um einen Winkel zur Einfallsebene des konkaven Spiegels und zur Normalen auf die genannte Ebene geneigt ist, um die Länge des durch den Laserstrahl zurückgelegten Weges zu verändern.
2. Ringlaser nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine Stützfläche zum Stützen mindestens eines konkaven Spiegels (22) und zum Führen der Verschiebemittel in Richtung des genannten Winkels.
3. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein konkaver Spiegel (22) eine geeignet dimensionierte Öffnung zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungsarten aufweist.
4. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vier Spiegel (22, 24, 26, 28) vorgesehen sind, wobei drei Spiegel (24,26, 28) plan und einer (22) konkav ist, von denen jeder an einer Ecke eines Viereckes angeordnet ist, so dass ein Laserstrahl weg (14) als Umfang des Rechteckes definiert ist.
5. Ringlaser nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei der ebenen Spiegel (24, 28) im wesentlichen parallel zueinander sind, und einer der drei ebenen Spiegel eine Öffnung zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungsarten aufweist.
6. Ringlaser nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kanten des Viereckes in derselben Ebene liegen.
7. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens einer der Spiegel ein ebener Spiegel (26) mit einer Öffnung zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungsarten ist, und Mittel vorgesehen sind, um den ebenen Spiegel im wesentlichen in seiner eigenen Ebene zu verschieben, um die Öffnung auszurichten, um unerwünschte Schwingungsarten zu unterdrücken.
8. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur Erzeugung eines Laserstrahles Kanäle (30a, b, c, d) in einem Laserblock (10) umfasst, welcher ein Laserverstärkungsmedium, eine Kathode (16) und mindestens eine im Laserblock angeordnete Anode (52, 54) enthält, so dass der Weg zwischen der Kathode und der Anode einen Teil einer Laserschaltung umfasst.
9. Ringlaser nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet. dass die Richtung der Verschiebung des konkaven Spiegels (22) mit der Normalen auf die Einfallsebene einen Winkel zwischen 3' und 5' eirischliesst.

1 O.Verfahren zur Justierung der Länge eines Laserweges des Ringlasers nach einem der Patentansprüche I bis 9, wobei ein Laserstrahl durch mindestens drei Spiegel (22, 24, 26, 28) entlang dem Laserweg geführt wird, mindestens einer der Spiegel (22) konkav und mindestens ein anderer der Spiegel (24,26, 28) im wesentlichen eben ist, gekennzeichnet dadurch, dass mindestens ein konkaver Spiegel (22) in einer Richtung verschoben wird, die einen Winkel sowohl mit der Einfallsebene des konkaven Spiegels als auch mit der Senkrechten auf die Einfallsebene einschliesst, um den Laserstrahl abzustimmen und die Lage des konkaven Spiegels zu fixieren.
11. Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass auf dem planen Spiegel eine Öffnung zur Unterdrückung unerwünschter Schwingungsarten angeordnet ist, und der ebene Spiegel in einer Richtung im wesentlichen in seiner eigenen Ebene verschoben wird, um die Öffnung auszurichten, damit die unerwünschten Schwingungsarten unterdrückt und die Lage des verschobenen ebenen Spiegels fixiert wird.
12. Verfahren nach Patentanspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stützfläche verwendet wird, um den konkaven Spiegel zu stützen, die Verschiebung unter dem genannten Winkel zu führen.
13. Ringlasergyroskop mit einem Ringlaser nach einem der Patentansprüche 1 bis 9.