Ein Ringlasergyroskop ist ein Präzisionsinstrument, das einen in zwei Richtungen laufenden Laserstrahl verwendet, um Winkel- oder Richtungsänderungen zu messen. Gyroskope werden in Navigationssystemen für Flugzeuge und Schiffe sowie für Lenksysteme in Flugkörpern und Präzisionswaffen eingesetzt. Das Prinzip der Verwendung von Licht zur Messung von Richtungsänderungen basiert auf Forschungen des französischen Wissenschaftlers Georges Sagnac aus dem Jahr 1913.
Gyroskope verwenden das Trägheitsprinzip, um Richtungen oder Positionsänderungen zu bestimmen. Ein sich drehendes Kreiselrad möchte in einer Position bleiben und widersetzt sich einer Drehung. Dies kann durch einen sich drehenden Kreisel demonstriert werden, der sich nicht auf eine Seite schieben lässt, oder durch den Versuch, ein sich drehendes Fahrradrad zur Seite zu drehen.
Ein Ringlaserkreisel nutzt das Doppler-Prinzip, um Unterschiede in Laserlichtstrahlen zu messen. Im Jahr 1842 fand Christian Doppler heraus, dass die Frequenz des Schalls einem Hörer anders erscheint, wenn sich die Schallquelle bewegt. Töne, die sich auf einen Hörer zubewegen, erscheinen höher, und sich weg bewegende Töne erscheinen niedriger. Der Effekt tritt auch mit Licht auf, und ein Lasergyroskop nutzt dieses Prinzip, da sich die beiden Strahlen beim Bewegen oder Neigen des Gyroskops in leicht unterschiedlichen Abständen bewegen, wie von Sagnac festgestellt.
Das Design eines Ringlaserkreisels ist normalerweise ein Dreieck mit drei gleichen Seiten oder ein gleichseitiger Kasten. Ein Heliumlaser wird auf einer Seite des Dreiecks oder der Box platziert, und Laserstrahlen werden in entgegengesetzte Richtungen um das Dreieck herum gesendet. Mit Spiegeln und Prismen werden die beiden Strahlen zu einem Detektor geschickt, der sowohl die hellen als auch die dunklen Linien betrachtet, die von den beiden Strahlen gebildet werden, sogenannte Interferenzmuster. Der Detektor kann nach Veränderungen in den Interferenzmustern suchen, die sich bewegen oder ihre Position verschieben, wenn das Gyroskop bewegt wird.
Wenn das Gyroskop waagerecht ist, kehren die beiden Laserstrahlen mit einem bekannten Zeitunterschied zum Detektor zurück und die Interferenzmuster sind stationär. Das Neigen des Ringlasergyroskops zu einer Seite bewirkt, dass die Laserstrahlen zu leicht unterschiedlichen Zeiten zurückkehren, und die Interferenzmuster bewegen sich mit einer Geschwindigkeit, die mit dem Betrag der Neigung übereinstimmt. Der Detektor kann kalibriert werden, um eine Neigungsmessung für einen Wende- und Querneigungsanzeiger an einem Flugzeug anzuzeigen, das für Präzisionskurven verwendet wird, oder um eine Kompassscheibe zu drehen, die für die Navigation verwendet wird, die als Richtungskreisel bezeichnet wird.
Die Ringlaser-Gyroskop-Technologie begann Ende des 20. Jahrhunderts, mechanische Gyroskope zu ersetzen. Vor dieser Zeit verwendeten Gyroskope Räder, die sich mit sehr hohen Geschwindigkeiten drehten, um einen stabilen Gyroskopeffekt zu erzeugen. Diese Gyroskope benötigten zur Energieversorgung Druckluft oder Strom und unterlagen Leistungseinbußen durch mechanische Reibung. Das Ringlasergyroskop hat keine beweglichen Teile und kann nach der Kalibrierung eine hervorragende Genauigkeit bei minimalem Leistungsverlust bieten.
Ein Problem bei frühen Lasergyroskopen war die Schwierigkeit, sehr kleine Richtungs- oder Neigungsänderungen zu messen. Dieser Effekt wird Lock-In genannt, und die beiden Laserstrahlen erscheinen am Detektor gleichzeitig inkrementell als ein sich nicht bewegendes Gyroskop, das fälschlicherweise als waagerecht interpretiert wird. Eine Methode zur Vermeidung dieses Fehlers, die als mechanisches Dithering bezeichnet wird, verwendet eine Vibrationsfeder, um den Detektor mit einer bestimmten Geschwindigkeit zu bewegen, um ein Einrasten zu verhindern. Eine andere Methode dreht das Gyroskop mit einer bestimmten Geschwindigkeit, um falsche Pegelmessungen zu verhindern, obwohl dieses Gerät teurer in der Herstellung ist.