Laserkreisel

Ein Laserkreisel ist ein Laser, der nicht linear, sondern mit drei oder mehr Spiegeln als Ring aufgebaut ist. Ein Laserkreisel ermöglicht es, Drehbewegungen zu messen.

Prinzip

Prinzip eines Laserkreisels

Man baut einen Laserresonator, der nicht wie meist üblich linear, sondern mit mehreren Spiegeln ringförmig aufgebaut ist. Dadurch erhält man zwei prinzipiell voneinander unabhängige Laserschwingungen mit entgegengesetzter Umlaufrichtung. Durch den Sagnac-Effekt sind bei Rotation des kompletten Aufbaus die optischen Längen des Ringumfangs für beide Wellen leicht unterschiedlich. Somit unterscheiden sich auch die Frequenzen bei der gleichen longitudinalen Lasermode minimal.

Koppelt man beide Strahlen aus und lässt sie interferieren, kann man die Differenzfrequenz als Schwebung beobachten. Je nach Drehrichtung wandern die Interferenzstreifen nach links oder rechts.

Dieser Effekt ist wesentlich besser messbar, als die kleine Phasenverschiebung beim Sagnac-Interferometer und kann daher in der Messtechnik angewandt werden.

Theorie

Für die Differenzfrequenz $\nu _{S}$ gilt:

${\frac {\nu _{S}}{\nu }}={\frac {\lambda \Delta }{l}}$,

also

$\nu _{S}={\frac {\lambda \nu \Delta }{l}}={\frac {c\Delta }{l}}={\frac {4A\Omega }{\lambda l}}$

mit Fläche A, Winkelgeschwindigkeit $\Omega$, Umfang l und Wellenlänge $\lambda$. Für die Berechnung der Phasenverschiebung $\Delta$, siehe Sagnac-Interferometer.

Lockin-Effekt

Leider tritt bei kleinen Drehraten ein fundamentales Problem auf, der Lockin-Effekt. An jedem Spiegel treten nicht nur Reflexion und Transmission, sondern auch Streuung auf. Ein kleiner Teil des Streulichts koppelt in die entgegengesetzte Umlaufrichtung ein. Dadurch beeinflussen sich beide Laserschwingungen. Dies führt dazu, dass bei Drehraten unterhalb der Lockin-Schwelle beide Laserschwingungen exakt die gleiche Frequenz haben. Bei höheren Drehraten ist die Differenzfrequenz immer noch kleiner, als nach der obigen Theorie berechnet.

Prinzipiell wäre diese Nichtlinearität kein Problem, solange man nur Rotationsraten oberhalb der Lockin-Schwelle messen möchte. Man könnte den Effekt herausrechnen. Die Lockin-Schwelle ist jedoch nicht konstant. Sie hängt von der Stärke der Streuung ab, und die Streuung wird unter anderem von der Anzahl der Staubteilchen auf den Spiegeln beeinflusst. Außerdem interferieren die an den vier Spiegeln rückgestreuten Wellen miteinander. Das führt, je nach Phasenlage, zu Verstärkung oder Abschwächung. Dadurch ist die Rückstreuung und somit der Lockin-Effekt extrem stark vom Abstand der Spiegel abhängig. Sie müssen also sehr stabil und auf einer Grundplatte mit extrem kleiner thermischer Ausdehung aufgebaut sein. Zusätzlich muss die Temperatur sehr gut konstant gehalten werden.

Anwendungen

Laserkreisel wurden in Flugzeugen als Navigationshilfe eingesetzt. Sie werden jedoch zunehmend durch GPS-Empfänger verdrängt. Lediglich in Militärflugzeugen haben sie noch eine Bedeutung als zusätzliche Sicherheit, falls das GPS-System ausfallen sollte. In der zivilen Luftfahrt begnügt man sich mit mechanischen Kreiselkompassen.

Um den Lockin-Effekt zu umgehen, wird der komplette Laserkreisel mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Rotation versetzt. Dadurch misst man auch bei ruhendem Flugzeug eine Rotation und befindet sich immer weit oberhalb der Lockin-Schwelle.

Ringlaser werden auch in der Geodäsie zur Messung der Rotationskomponente von Erdbeben und der kontinuierlichen Messung der Erdrotation eingesetzt. Hier verwendet man einen ruhenden Ringlaser und bemüht sich durch aufwendige Klimatisierung die Lockin-Schwelle konstant zu halten.

Weblink

• Laserkreisel bei der Fundamentalstation Wettzell

Siehe auch: Faserkreisel