Optische Messungen von Rotationsgeschwindigkeiten beruhen traditionell auf der Abfrage des Sagnac-Effekts. Aufgrund der sehr kleinen Änderungen der Trägerwellenlänge, die durch die Rotation verursacht werden, müssen solche Methoden auf indirekte, hochintegrierte Techniken zurückgreifen, die das Signal in den unteren Frequenzbereich übertragen.

Forschende des Leibniz-IPHT haben ein neues Konzept für den direkten Nachweis des optischen Sagnac-Effekts vorgestellt, das auf der Kombination der Vorteile passiver Instrumente auf der Grundlage von Mach-Zehnder-Interferometern mit den Fortschritten der Echtzeit-Messverfahren für ultrakurze Pulse beruht.

Im Bild:
Rotationsmessanordnung auf der Grundlage eines Mach-Zender-Interferometers und dispersiver Fourier-Transformation (DFT) (oben). Typische gemessene DFT-Spektren des Interferometers im Ruhezustand (unten links). Relative Phasendynamik unter Rotationsbelastung durch einen Schrittmotor mit unterschiedlicher Schrittweite bei 3,33 ms Schrittdauer.

Mit einem solchen Ansatz kann ein neues Leistungsniveau erreicht werden, wie z. B. eine hohe Toleranz gegenüber der Stabilität des Seed-Lasers, einschließlich des Timing-Jitters und der Fluktuationen der Träger-Hüllkurven-Phase. Die demonstrierten Methoden ermöglichten eine erhöhte Erfassungsrate von mehr als zehn Megahertz, was mit der ultraschnellen Laserwiederholrate vergleichbar ist, die mindestens drei Größenordnungen schneller ist als die derzeit verfügbaren faseroptischen Gyroskoptechnologien.

Das Prinzip ultraschneller gyroskopischer Messungen wird veranschaulicht, indem die relative Phase des ultrakurzen Pulses aus dem spektralen interferometrischen Einzelschussmuster rekonstruiert wird. Die Einzelschussauflösung der Phasenrückgewinnung aus dem interferometrischen Muster erreichte 7,3 mrad, wodurch die Winkelauflösung aktiver ultraschneller Faserlaserkreisel um mehr als eine Größenordnung auf 0,33 mdeg/s mit einer hervorragenden Bias-Stabilität von 0,06 deg/h übertroffen werden konnte.

Die Arbeit eröffnet auch mehrere neue, spannende Perspektiven für andere Kreisel- und Beschleunigungsmesserkonzepte, einschließlich der Übertragung auf ultraschnelle Halbleiter-Seed-Laser, um noch höhere Datenerfassungsraten und eine Miniaturisierung des endgültigen Designs zu erreichen. Die vorgeschlagene Methodik bietet das Potential, die bestehenden Technologien, die beispielsweise in der Navigation eingesetzt werden, zu verbessern und neu entstehende Anwendungen wie autonome Fahrzeuge zu ermöglichen, die eine viel höhere Datenerfassungsrate benötigen, als moderne Kreisel derzeit bieten können. Die Ergebnisse zeigen, dass ultraschnelle optische Kreisel für hochspezialisierte Studien geeignet sind.

Darüber hinaus haben die in diesem Artikel vorgestellten Ergebnisse gezeigt, dass die Kombination der DFT-Technik mit interferometrischen Phasenmessungen ein effizienter Ansatz ist, um präzise Phasenmessungen bei hohen Datenraten zu ermöglichen. Daher ist das Konzept der DFT-Interferometrie nicht nur auf gyroskopische Messungen beschränkt, sondern kann auch auf andere phasenempfindliche Anwendungen ausgeweitet werden, z. B. auf ultraschnelle Brechungsindexmessungen.

Veröffentlichungen:
Kudelin, I., Sugavanam, S., & Chernysheva, M. (2022). Ultrafast Gyroscopic Measurements in a Passive All‐Fiber Mach–Zehnder Interferometer via Time‐Stretch Technique. Advanced Photonics Research, 2200092.