Laserkreisel
aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Ein Laserkreisel ist ein Laser, der nicht gestreckt, sondern mittels drei oder mehr Spiegeln oder einer aufgewickelten Glasfaser (Faserkreisel) als sogenannter Ringlaser aufgebaut ist. Ein Laserkreisel ermöglicht es, Drehbewegungen absolut im Raum zu messen und arbeitet im Gegensatz zu einem Kreiselkompass verschleißfrei.
Inhaltsverzeichnis |
[Bearbeiten] Prinzip
Man baut einen Laserresonator, der nicht wie meist üblich gestreckt, sondern mit Hilfe mehrerer Spiegel ringförmig aufgebaut ist. Dadurch erhält man zwei prinzipiell voneinander unabhängige Lichtwellen 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.
[Bearbeiten] Theorie
Für die Differenzfrequenz νS gilt:
,also
mit Fläche A, Winkelgeschwindigkeit Ω, Umfang l und Wellenlänge λ. Für die Berechnung der Phasenverschiebung Δ, siehe Sagnac-Interferometer.
[Bearbeiten] 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 Ausdehnung aufgebaut sein. Zusätzlich muss die Temperatur sehr gut konstant gehalten werden.
[Bearbeiten] Anwendungen
Laserkreisel werden in Flugzeugen und militärischen Landfahrzeugen sowie auf Marineschiffen als Navigationshilfe eingesetzt. Auf zivilen kommerziellen Flugzeugen werden sie zunehmend durch GPS-Empfänger ergänzt bzw. verdrängt. In Militärflugzeugen haben sie weiterhin eine Bedeutung als zusätzliche Sicherheit, falls das GPS-System ausfallen oder gestört werden sollte.
Im militärischen Bereich kommt weiterhin der Vorteil von Laserkreiseln zum Tragen, dass sie keine Hochlaufzeit wie ein mechanischer Kreisel benötigen.
In der zivilen nichtkommerziellen Luftfahrt begnügt man sich dagegen aus Kostengründen mit mechanischen Kreiselkompassen.
Um den Lockin-Effekt zu umgehen, wird der komplette Laserkreisel entweder mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Rotation (rate bias technique) oder in eine Zitterschwingung (sog. Dithering) 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.
In kommerziellen Anwendungen findet der Laserkreisel seinen Einsatz in der Vermessung von Pipelines, der Stabilisierung von Laser-Scannern oder Kameras auf Flugzeugen zur luftgestützten Vermessung von Objekten wie Gebäuden oder Landschaftstopologien (sog. LIDAR oder Ortho-Photogrammetrie) oder in der punktgenauen Navigation von Bohrgeräten im Bereich des sog. Horizontalbohrens unter der Erde ("no-dig" - Leitungsbau)[1]. Auch Unterwasser-Roboter werden mit Laserkreiseln navigiert, wenn es um höchste Genauigkeit bei autonomen Einsätzen über viele Stunden oder Tage geht.
Siehe auch: Faserkreisel
