Laserkreisel

Laserkreisel

Ein Laserkreisel ist ein dreidimensionales Messgerät, welches mit einem Laser arbeitet, dessen Resonator eine geschlossene Schleife bildet (Ringlaser). Laserkreisel messen hochempfindlich und verschleißfrei Drehbewegungen in einer Ebene.

Die Bestimmung der Drehung im Raum erfordert drei Ringlaser, die in zueinander rechtwinkligen Ebenen angeordnet sind.

Der Laserkreisel hat mit einem Kreiselinstrument beziehungsweise Gyroskop die Eigenschaft gemein, dass er absolute Drehraten im Raum anzeigen kann, daher rührt sein Name. Er besitzt jedoch keinerlei bewegliche Teile.

Ein Laserkreisel beziehungsweise Ringlaser besteht aus zwei Lichtstrahlen, die gemeinsam in Gegenrichtung eine geschlossene Bahn durchlaufen. Man verwendet als Lichtquelle einen Laser, da nur so eine monochromatische und frequenzstabile Strahlung erzeugt werden kann. Für die Lichtstrecke werden mehrere Spiegel oder eine lange, aufgewickelte Glasfaser (siehe Faserkreisel) verwendet.
Anteile der gegenläufigen Strahlen werden zur Überlagerung gebracht. Ist die Lichtschleife in Ruhe, sind beide Signale identisch, hingegen verursacht eine Drehung der Schleife um die Ebenennormale eine Phasenverschiebung, die im Interferenzmuster nachweisbar ist.

Prinzip

Prinzip eines Laserkreisels

Man baut einen Laserresonator, der nicht wie meist üblich gestreckt, sondern mit Hilfe mehrerer Spiegel oder einer aufgewickelten Glasfaser ringförmig 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 Anteile beider 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 leichter messtechnisch ausgewertet werden - man misst die Amplitudenmodulation der interferierenden Strahlen mit einer Fotodiode und zählt so die Differenzfrequenz der Strahlen.

Theorie

Für die Differenzfrequenz ν_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 Ω, Umfang l und Wellenlänge λ. Für die Berechnung der Phasenverschiebung Δ siehe Sagnac-Interferometer.

Lock-in-Effekt

Bei kleinen Drehraten tritt ein fundamentales Problem auf, der Lock-in-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 Lock-in-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 Lock-in-Schwelle messen möchte - man könnte den Effekt herausrechnen. Die Lock-in-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 Lock-in-Effekt extrem stark vom Abstand der Spiegel abhängig. Sie müssen weiterhin sehr stabil und auf einer Grundplatte mit extrem kleiner thermischer Ausdehnung aufgebaut sein. Zusätzlich muss die Temperatur sehr gut konstant gehalten werden.

Um den Lock-in-Effekt zu umgehen, wird der komplette Laserkreisel entweder mit konstanter Winkelgeschwindigkeit in Rotation (rate bias technique) oder in eine Zitterschwingung (Dithering) versetzt. Dadurch misst man auch bei ruhendem Flugzeug eine Rotation und befindet sich immer weit oberhalb der Lock-in-Schwelle.

Anwendungen

Laserkreisel werden in Flugzeugen und militärischen Landfahrzeugen sowie auf Marineschiffen als Navigationshilfe eingesetzt und sind dabei meist Teil eines Inertialen Navigationssystems (INS). Auf zivilen kommerziellen Flugzeugen werden sie zunehmend durch GPS-Empfänger ergänzt, da mittels GPS bestimmte Positionen langfristig genauer und mittels INS bestimmte Positionen kurzfristig genauer sind. Die Systeme ergänzen sich somit.

In Militärflugzeugen und zivilen kommerziellen Flugzeugen haben sie weiterhin eine Bedeutung als zusätzliche Sicherheit, falls das GPS-System ausfallen oder gestört werden sollte. Im militärischen Bereich kommt weiterhin der Vorteil vom Laserkreisel zum Tragen, da er keine Hochlaufzeit wie ein mechanisches Kreiselinstrument (Kurskreisel, Gyroskop) benötigt. Gyroskope oder Kreiselkompasse sind jedoch oft dennoch redundant vorhanden, da jene mechanisch arbeiten und so auch bei Stromausfall ihre Richtungsinformation beibehalten.

In der privaten Luftfahrt begnügt man sich oft aus Kostengründen mit mechanischen Kurskreiseln.

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 Lock-in-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 (LIDAR oder Ortho-Photogrammetrie) oder in der punktgenauen Navigation von Bohrgeräten im Bereich des Horizontalbohrens unter der Erde (sogenannter No-dig-Leitungsbau).

Auch Unterwasser-Roboter werden mit Laserkreiseln navigiert, wenn es um höchste Genauigkeit bei autonomen Einsätzen über viele Stunden oder Tage geht.

Siehe auch

• Faserkreisel
• Kreiselplattform

Weblinks

• Laserkreisel bei der Fundamentalstation Wettzell