Prototypen

Der Ringlaser C-II:

Der C-II ist der Prototyp eines Ringlasers für geowissenschaftliche Anwendungen. Die wichtigsten Neuerungen gegenüber dem C-I waren die monolithische Bauweise unter Verwendung der äußerst längenstabilen Glaskeramik Zerodur und der Einsatz der optischen Ansprengtechnik. Damit wird ein Vakuumsiegel durch molekulare Adhäsion geschaffen, so daß die Verwendung von Dichtungsringen, die durch allmähliches Ausgasen das Lasermedium beeinträchtigen, entfällt.

Ringlaser C-II (145 kB) Ringlaser C-II

HF-Anregung HF-Anregung

Der Ringresonator besteht aus einem quadratischen Zerodurblock von 1,2 m Kantenlänge und einer Dicke von 18 cm. Sein thermischer Ausdehnungskoeffizient beträgt 0,5 x 10-8 pro Grad Celsius. Alle vier Ecken sind unter 45 Grad abgeschrägt und tragen die Umlenkspiegel. Bohrungen mit einem Durchmesser von 3 cm in der Mitte des Blockes, die parallel zu den Kanten in der neutralen Faser geführt sind, umschließen eine Fläche von 1 m2. Von den Ecken aus laufen diagonale Bohrungen auf das Zentrum des Blockes zu, wo ein Ventil den Resonatorinnenraum gegen die Umgebung abschließt. über diesen Anschluß wird das System evakuiert und mit den Lasergasen Helium und Neon befüllt. Zwei sich gegenüberliegende, buchtenförmige Einschnitte im Resonatorblock geben Raum für eine Kapillare zur Anregung des Laserprozesses bzw. für einen Bereich, in dem der Laserstrahl für Experimente zugänglich ist. Die Kapillare besteht aus Duranglas (Pyrex) mit einem Innendurchmesser von 4 mm und einer Länge von 10 cm. Sie ist durch eine xy-Verschiebemechanik relativ zu den Bohrungen des Strahlenganges justierbar, um die Kapillare kollinear zur optischen Achse des Ringlasers orientieren zu können. Eine starre Metalleinfassung sorgt dafür, daß während der Justage keine Biegemomente auf die Kapillare einwirken. Der Übergang vom festen Ringkörper zu der beweglichen Kapillare wird durch ultrahochvakuumtaugliche Wellbalge geschaffen. Der Laserprozeß wird durch eine Hochfrequenzquelle angeregt. Für die Anwendung als Sagnac-Interferometer wird der Ringresonator knapp oberhalb der Laserschwelle im Monomode betrieben. Dieser Betriebsbereich zeichnet sich dadurch aus, daß geringe Schwankungen in der eingestrahlten Hochfrequenzleistung große Änderungen für die Intensität des Laserlichtes in dem Resonator nach sich ziehen. Daher ist es erforderlich, daß eine rückgekoppelte Regelschaltung den Arbeitspunkt des Resonators konstant hält.

Die vier hochreflektiven Umlenkspiegel (Steuverluste < 5 ppm) sind jeweils an eine 2,5 cm dicke Spiegelhalterung aus ULE, einem dem Zerodur ähnlichen Material amerikanischer Produktion, optisch angesprengt, welche ihrerseits an die abgeschrägten und polierten Ecken des Resonatorblockes angesprengt sind. Für die Orientierung der Spiegel sind konzeptionell keine Justierelemente vorgesehen. Dies stellt hohe Anforderungen an die Maßhaltigkeit der abgeschrägten Ecken des Resonatorblockes. Um einen stabilen Laseroszillator zu erhalten, wurden in den Resonator zwei Planspiegel und zwei Hohlspiegel mit 6 m Krümmungsradius in benachbarter Konfiguration eingesetzt.

Satellitenbild der Banks Halbinsel, Neuseeland (100 kB) Banks-Halbinsel, Neuseeland

Drucktank (69 kB) C-II mit Drucktank (offen)

Zeitreihe Sagnacfrequenz Luftdruckeinfluß auf die Sagnacfrequenz

Der C-II ist seit 1997 in der Cashmere-Höhle auf der Banks-Halbinsel nahe Christchurch (Neuseeland) in Betrieb. Er ruht horizontal auf einer 20 cm dicken, polierten Granitplatte, die einem quadratischen Betonmonument mit einer Kantenlänge von 1,5 m aufliegt. Zwischen Ringlaserblock und Granitplatte befinden sich drei 100 µm dicke Teflonstreifen, um die Übertragung von Scherverformungen zu verhindern. Das Monument ist auf vulkanischem Gestein gegründet. Das Sagnacsignal hat einen für diesen Aufstellungsort zu erwartenden Betrag von 79,4 Hz. Bald nach der Inbetriebnahme zeigte sich eine Drift des Sagnacsignals, welche mit dem lokalen Luftdruck korrelierte. Diese Modulation ist auf luftdruckbedingte Längenänderungen des Resonators zurückzuführen. Ein geringer Anteil von 2,3 nm/hPa wird durch die Kompression / Dilatation der Zerodurblockes verursacht, während der wesentlich höhere Anteil von 19 nm/hPa auf die Membranwirkung der dünneren Spiegelträger zurückzuführen ist. Durch ein Korrekturmodell läßt sich dieser Effekt zum großen Teil beheben. Ein zweiter Weg der beschritten wurde ist die aktive Regelung der Resonatorlänge. Durch den Vergleich der Laserfrequenz des Ringresonators mit der Frequenz eines jodstabilisierten Referenzlasers kann die Drift der Wellenlänge des Ringlasers gemessen werden. Um die Drift zu kompensieren, wird die Resonatorlänge geändert, indem ein Piezoaktuator durch Druck auf einen der Spiegelträger die Spiegelposition geringfügig verändert. Ein dritter Weg, den Einfluß des Luftdrucks auf die Resonatorgeometrie zu beseitigen, war der Bau eines Drucktanks um den Ringlaser mit aktiver Stabilisierung des Innendrucks auf 0,1 hPa. Seitdem ist der C-II frei von luftdruckbedingten Modulationen der Sagnacfrequenz und erreichte bereits über 5 Tage eine Stabilität von besser als 2 mHz. Dies entspricht einer relativen Auflösung von 2,5 x 10-5 der Erdrotationsrate.


Die G-0 Studie:

Nachdem mit dem C-II alle erforderlichen Techniken zur Konstruktion eines Großringlasers für geowissenschaftliche Anwendungen erprobt und bestätigt worden sind, blieb noch die Frage zu klären, ob ein Ringlaser mit einer quadratischen Fläche von 16 m2 bei ausreichender Intensität für das Sagnacsignal in den Monomode-Betrieb zu versetzen ist. Diese Frage ist für die Entscheidung, einen Großring dieser Abmessungen und einem entsprechenden Investitionsvolumen zu realisieren, von größter Wichtigkeit. Deshalb ist während der Entwicklungsarbeiten am C-II ein weiterer Ringlaser konstruiert und gebaut worden. Da es hierbei nur um den Nachweis der prinzipiellen Realisierbarkeit ging, war eine präzise Stabilisierung der Spiegelabstände etwa durch die Verwendung von Zerodur nicht vorgesehen.

Schematischer Aufbau des G-0 Schematischer Aufbau

G-0 in Funktion (58 kB) G-0 in Funktion

Bei dem G-0 handelt es sich um einen Ringlaser mit einer quadratischer Grundfläche von 12,25 m2, der senkrecht an einer der Betonwände der Cashmere-Höhle angebracht wurde. Hierzu wurde eine in Ost/West- Richtung verlaufende Höhlenwand ausgewählt, um einen möglichst großen Betrag für die Sagnacfrequenz zu erhalten. Der Laserstrahl wird in Rohrleitungen von 3,5 m Länge zu würfelförmigen Dosen aus Edelstahl geführt, welche die vier Ecken des Lasers bilden. In diesen Gehäusen befinden sich die Umlenkspiegel. Neben den Bohrungen für die Führung des optischen Strahles gibt es in diesen Stahlwürfeln weitere Öffnungen, welche mit UHV - Fensterflanschen abgeschlossen wurden. Sie dienen zum optischen Einblick während der Justierung und zur Einkopplung des Strahles eines Justierlasers. Im Laserbetrieb des G-0 werden durch diese Fenster dann die Strahlen der beiden Umlaufsinne ausgekoppelt. Die Gehäuse der Spiegelträger wurden jeweils auf eine Stahlplatte montiert, die in der Bunkerwand verankert und koplanar zueinander ausgerichtet sind. Durch einen Hebelarm von 1 m Länge, der an seinem Ende mit einem Mikrometer- Stellmechanismus in Position gehalten wird, ist eine Spiegeljustierbarkeit im Bereich von einer Bogensekunde erzielt worden.

Sagnacspektrum Sagnacspektrum des G-0

Nach der Inbetriebnahme ließ sich die Intensität des Laserlichtes im Ring ohne weiteres auf eine longitudinale Mode pro Umlaufsinn reduzieren, woraufhin eine Messung der Sagnacfrequenz möglich wurde. Es ergab sich eine Sagnacfrequenz von 287,3 Hz und ein Signal- Rauschabstand von ca. 60 dB. Auf diese Weise konnte eindeutig gezeigt werden, daß ein großer Ringlaser für geodätische und geophysikalische Anwendungen mit einem geringen Modenabstand von ca. 20 MHz physikalisch möglich ist. Der G-0 wurde seither zu kontinuierlichen Messungen eingebunden.


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Letzte Änderung: 25.07.2002