This thesis presents a study of a 1.6 metre square, helium-neon based ring laser gyroscope (denoted PR-1). This device is mounted on one of the internal walls of a high rise building. After optimisation a cavity Q of 2.9x10¹¹ and a sensitivity to rotation of approximately 10⁻³ of the background Earth bias was obtained. A detailed investigation of the single mode operating regime and multi-mode thresholds was undertaken and could be well accounted for with a simple model of the gain curves. A key feature of the operation of PR-1 is persistent longitudinal mode hopping. It is shown that by running the laser at selective high powers, one obtains CW mode locked operation thereby negating the influence of mode hopping and allowing for long time data acquisition. PR-1 was used to demonstrate oscillation of the Rutherford building on its second fundamental mode during an earthquake. In a separate investigation, a range of supermirrors were studied to determine the optimum configuration in a 4 by 4 metre ring laser. The set with the highest finesse prevailed despite the comparatively low light levels on the photo detectors. The geometric stability of the lasers was not found to be a significant factor.

This thesis presents a study of a 1.6 metre square, helium-neon based ring laser gyroscope (denoted PR-1). This device is mounted on one of the internal walls of a high rise building. After optimisation a cavity Q of 2.9x10¹¹ and a sensitivity to rotation of approximately 10⁻³ of the background Earth bias was obtained. A detailed investigation of the single mode operating regime and multi-mode thresholds was undertaken and could be well accounted for with a simple model of the gain curves. A key feature of the operation of PR-1 is persistent longitudinal mode hopping. It is shown that by running the laser at selective high powers, one obtains CW mode locked operation thereby negating the influence of mode hopping and allowing for long time data acquisition. PR-1 was used to demonstrate oscillation of the Rutherford building on its second fundamental mode during an earthquake. In a separate investigation, a range of supermirrors were studied to determine the optimum configuration in a 4 by 4 metre ring laser. The set with the highest finesse prevailed despite the comparatively low light levels on the photo detectors. The geometric stability of the lasers was not found to be a significant factor.

This thesis presents a study of two aspects of ring laser gyroscopes: Correction of systematic errors due to optical backscatter, and development of solid-state ring laser gyroscopes. Backscatter at the optical surfaces of ring laser gyroscopes causes systematic measurement errors. These errors were modelled and corrected for in large ring lasers. The model included backscattering, hole burning and dispersion in the gain medium. The model predictions were used in conjunction with measurements of the intensity modulation of each beam and the phase difference between these modulation to correct the measured Sagnac frequency of the large ring lasers, PR-1 and G-0. Dramatic improvements in the sensitivity of both lasers were achieved. Most current laser gyroscopes use He-Ne plasma as the gain medium. This makes the devices fragile, the plasma creates UV light that degrades the cavity mirrors and the gas itself degrades over time. As a alternative, solid state materials might be used as the gain medium for the gyroscope. Both neodymium doped and erbium ytterbium co-doped phosphate glass lasers were constructed. Initially linear cavity designs were constructed to test the suitability of the gain media. Both laser systems employed longitudinal laser diode pumping. Thirty six perimeter ring lasers were then developed using both gain media. In both cases successful rotation sensing was achieved on a turntable which provided external rotation. For rotation rates between 0.1 and 0.85 rad/s, the gyroscope built using Er-Yb and Nd phosphate glass are superior to Nd:YAG (the only other material known to have been used in a continuous wave solid state gyroscope). This improvement is due to the use of thin heavily doped gain medium, which decreases the detrimental effect caused by gain gratings.

Ringlaser dienen dazu, durch genaue inertiale Messungen Rotationen ohne Bezug auf ein externes Referenzsystem lokal und praktisch in Echtzeit zu bestimmen. Sie wurden in den 1970er Jahren insbesondere für die Navigation von Flugzeugen entwickelt. In den letzten Jahrzehnten wurden Ringlaser dann so weit verbessert, dass sie nun auch als eigenständige Messinstrumente in der Geodäsie Verwendung finden. Aufgrund der erreichbaren Genauigkeit ist es inzwischen möglich, Variationen in der Erdrotation mit der dafür erforderlichen Präzision zu detektieren. Der stabilste unter den Ringlasern, der so genannte Ringlaser "G" der geodätischen Fundamentalstation Wettzell, erreicht eine Sensitivität von 1.2 x 10 -11 nrad. Damit ist dieses Instrument in der Lage, Neigungen von bis zu 1 nrad (dies entspricht einem Signal von 0.2 mas in der Polbewegung, in Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde) im täglichen und halb-täglichen Frequenzband zu messen. Motivation dieser Arbeit ist es, der in den letzten Jahren erreichten Verbesserung des Auflösungsvermögens und der Sensorstabilität Rechnung zu tragen und die für die Auswertung von Ringlaserdaten benutzten geophysikalischen Modelle weiter zu verbessern, um dadurch die variable Rotation der Erde noch präziser vermessen zu können. Die dafür relevanten Effekte werden in den einzelnen Kapiteln dieser Arbeit separat behandelt. Nach einer Einführung werden in Kapitel 2 dieser Arbeit drei lokale, topozentrische Koordinatensysteme konstruiert, mit welchen sich das zu beobachtende Sagnac-Signal eines Ringlasers in der ersten post-Newtonischen Näherung der Allgemeinen Relativitätstheorie adäquat beschrieben lässt. In Kapitel 3 wird ein verbessertes Modell für die Orientierung des Ringlasers, basierend auf Ergebnissen von Dehant et al. (1999), entwickelt. Ein in den bislang benutzten Modellen vernachlässigter Neigungsterm konnte dabei identifiziert werden. Ein Modell für die retrograde tägliche Polbewegung der Erde wird in Kapitel 4 entwickelt. Ausgehend von den dynamischen Gleichungen für eine starre Erde werden diese um elastische Effekte und Einflüsse der Mehrschichtigkeit der Erde ergänzt und die entsprechenden Euler-Liouvilleschen Gleichungen und Transfer-Funktionen abgeleitet. Gezeiteneinflüsse des Ozeans, speziell die dadurch hervorgerufene sub-tägliche Variation der Erdrotation und ozeanische Auflasteffekte, werden in Kapitel 5 behandelt. Es wird gezeigt, dass die ozeanischen Signale größer als 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz für den Ringlaser "G") sind und damit in den Messdaten des Ringlasers "G" nachweisbar sein sollten. Auf Grundlage der in dieser Arbeit entwickelten Modelle wurde eine 168 Tage (30. April 17. Oktober 2010) umfassenden Datenreihe des Ringlasers "G" in Kapitel 6 ausgewertet. Für die Auswertung wurde die Software ETERNA 3.40 genutzt und entsprechend angepasst. Die tägliche retrograde Polbewegung konnte dabei mit einer Genauigkeit von 0.15 mas bestimmt werden. Diese Auswertung beweist ein weiteres Mal die Existenz eines flüssigen Erdkerns. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass bestimmte Gezeitenparameter des halb-täglichen Frequenzbandes durch lokale Effekte beeinflusst werden. Lokal gemessene Luftdruckdaten wurden benutzt, um den Einfluss atmosphärischer Auflasteffekte auf den Ringlaser "G" zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich für diese Effekte kein signifikanter Einfluss nachweisen lässt. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Resultate, einer Beschreibung der sich ergebenden Schlussfolgerungen und einem Ausblick auf zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der Ringlaseranalyse. / Ring laser gyroscopes measure inertial rotations locally and in real-time without the need for an external reference system. Initially, they were developed for aircraft navigation applications in the 1970s. With the improvement of ring laser technology during the last decades large ring laser gyroscopes (RLGs) are nowadays used as independent geodetic instruments. Due to the achievable accuracy more and more geophysical signals become observable in the data. The G-ring located at the Geodetic Observatory Wettzell is reckoned as the most stable one amongst the running large RLGs and reaches a sensitivity of 1.2 x 10 -11 nrad. Therefore, the instrument is able to detect a tilt signal of 1 nrad (equivalent to a signal of 0.2 mas in polar motion or 10 -9 Ω0 in variation of Earth rotation rate) in the diurnal and semi-diurnal band. This motivates us to improve previous geophysical models and estimate associated tilt and Earth rotation signals, which are the focuses of this Thesis. Firstly, we construct three local proper topocentric reference frames and interpret the Sagnac effect observed by large RLGs in the first post-Newtonian (PN) approximation of Einstein's theory of gravity. Secondly, in Chapter 3 we develop an improved orientation model for the Sagnac platform, based on the numerical results of Dehant et al. (1999). A missing tilt term in previous RLG tilt models is found. In Chapter 4, based on the Euler-Liouville equations or nutation transfer functions for a rigid Earth, a purely elastic Earth, a two-layered Earth and a three-layered Earth, five retrograde diurnal polar motion models are computed with the HW95 tidal potential catalogue. Thirdly, ocean tide effects (two aspects: effects on sub-daily variations of Earth rotation and loading effect on tilt) are considered in Chapter 5. We show that the Sagnac signals induced by ocean tides are larger than 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz for the G-ring) and their influences are visible in the G-ring. Fourthly, based on the above-mentioned improved models and 168 days (from Apr.30 to Oct.17 in 2010) of G-ring data, in the diurnal band, we estimate the retrograde diurnal polar motion signal with an accuracy of 0.15 mas. The Earth tide software ETERNA 3.40 was adopted and modified to analyse this data. Our estimation provides one more evidence for the existence of the Earth's fluid outer core. Furthermore, we found that the tidal parameters for the G-ring are affected by the cavity and topographic effects in the semi-diurnal band. The local air pressure record is used in order to investigate the atmospheric loading effect on the G-ring by a simple regression model. Nevertheless, the preliminary result shows that no significant influence from atmospheric loading on our estimation is found. This Thesis closes with a summary of the obtained results, conclusions and suggestions how the analysis of ring laser data could be improved in future work.

Ringlaser dienen dazu, durch genaue inertiale Messungen Rotationen ohne Bezug auf ein externes Referenzsystem lokal und praktisch in Echtzeit zu bestimmen. Sie wurden in den 1970er Jahren insbesondere für die Navigation von Flugzeugen entwickelt. In den letzten Jahrzehnten wurden Ringlaser dann so weit verbessert, dass sie nun auch als eigenständige Messinstrumente in der Geodäsie Verwendung finden. Aufgrund der erreichbaren Genauigkeit ist es inzwischen möglich, Variationen in der Erdrotation mit der dafür erforderlichen Präzision zu detektieren. Der stabilste unter den Ringlasern, der so genannte Ringlaser "G" der geodätischen Fundamentalstation Wettzell, erreicht eine Sensitivität von 1.2 x 10 -11 nrad. Damit ist dieses Instrument in der Lage, Neigungen von bis zu 1 nrad (dies entspricht einem Signal von 0.2 mas in der Polbewegung, in Änderung der Rotationsgeschwindigkeit der Erde) im täglichen und halb-täglichen Frequenzband zu messen. Motivation dieser Arbeit ist es, der in den letzten Jahren erreichten Verbesserung des Auflösungsvermögens und der Sensorstabilität Rechnung zu tragen und die für die Auswertung von Ringlaserdaten benutzten geophysikalischen Modelle weiter zu verbessern, um dadurch die variable Rotation der Erde noch präziser vermessen zu können. Die dafür relevanten Effekte werden in den einzelnen Kapiteln dieser Arbeit separat behandelt. Nach einer Einführung werden in Kapitel 2 dieser Arbeit drei lokale, topozentrische Koordinatensysteme konstruiert, mit welchen sich das zu beobachtende Sagnac-Signal eines Ringlasers in der ersten post-Newtonischen Näherung der Allgemeinen Relativitätstheorie adäquat beschrieben lässt. In Kapitel 3 wird ein verbessertes Modell für die Orientierung des Ringlasers, basierend auf Ergebnissen von Dehant et al. (1999), entwickelt. Ein in den bislang benutzten Modellen vernachlässigter Neigungsterm konnte dabei identifiziert werden. Ein Modell für die retrograde tägliche Polbewegung der Erde wird in Kapitel 4 entwickelt. Ausgehend von den dynamischen Gleichungen für eine starre Erde werden diese um elastische Effekte und Einflüsse der Mehrschichtigkeit der Erde ergänzt und die entsprechenden Euler-Liouvilleschen Gleichungen und Transfer-Funktionen abgeleitet. Gezeiteneinflüsse des Ozeans, speziell die dadurch hervorgerufene sub-tägliche Variation der Erdrotation und ozeanische Auflasteffekte, werden in Kapitel 5 behandelt. Es wird gezeigt, dass die ozeanischen Signale größer als 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz für den Ringlaser "G") sind und damit in den Messdaten des Ringlasers "G" nachweisbar sein sollten. Auf Grundlage der in dieser Arbeit entwickelten Modelle wurde eine 168 Tage (30. April 17. Oktober 2010) umfassenden Datenreihe des Ringlasers "G" in Kapitel 6 ausgewertet. Für die Auswertung wurde die Software ETERNA 3.40 genutzt und entsprechend angepasst. Die tägliche retrograde Polbewegung konnte dabei mit einer Genauigkeit von 0.15 mas bestimmt werden. Diese Auswertung beweist ein weiteres Mal die Existenz eines flüssigen Erdkerns. Des weiteren konnte gezeigt werden, dass bestimmte Gezeitenparameter des halb-täglichen Frequenzbandes durch lokale Effekte beeinflusst werden. Lokal gemessene Luftdruckdaten wurden benutzt, um den Einfluss atmosphärischer Auflasteffekte auf den Ringlaser "G" zu untersuchen. Die Ergebnisse dieser Arbeit zeigen, dass sich für diese Effekte kein signifikanter Einfluss nachweisen lässt. Die Arbeit schließt mit einer Zusammenfassung der Resultate, einer Beschreibung der sich ergebenden Schlussfolgerungen und einem Ausblick auf zukünftige Arbeiten auf dem Gebiet der Ringlaseranalyse. / Ring laser gyroscopes measure inertial rotations locally and in real-time without the need for an external reference system. Initially, they were developed for aircraft navigation applications in the 1970s. With the improvement of ring laser technology during the last decades large ring laser gyroscopes (RLGs) are nowadays used as independent geodetic instruments. Due to the achievable accuracy more and more geophysical signals become observable in the data. The G-ring located at the Geodetic Observatory Wettzell is reckoned as the most stable one amongst the running large RLGs and reaches a sensitivity of 1.2 x 10 -11 nrad. Therefore, the instrument is able to detect a tilt signal of 1 nrad (equivalent to a signal of 0.2 mas in polar motion or 10 -9 Ω0 in variation of Earth rotation rate) in the diurnal and semi-diurnal band. This motivates us to improve previous geophysical models and estimate associated tilt and Earth rotation signals, which are the focuses of this Thesis. Firstly, we construct three local proper topocentric reference frames and interpret the Sagnac effect observed by large RLGs in the first post-Newtonian (PN) approximation of Einstein's theory of gravity. Secondly, in Chapter 3 we develop an improved orientation model for the Sagnac platform, based on the numerical results of Dehant et al. (1999). A missing tilt term in previous RLG tilt models is found. In Chapter 4, based on the Euler-Liouville equations or nutation transfer functions for a rigid Earth, a purely elastic Earth, a two-layered Earth and a three-layered Earth, five retrograde diurnal polar motion models are computed with the HW95 tidal potential catalogue. Thirdly, ocean tide effects (two aspects: effects on sub-daily variations of Earth rotation and loading effect on tilt) are considered in Chapter 5. We show that the Sagnac signals induced by ocean tides are larger than 10 -9 Δf0 (Δf0 348 Hz for the G-ring) and their influences are visible in the G-ring. Fourthly, based on the above-mentioned improved models and 168 days (from Apr.30 to Oct.17 in 2010) of G-ring data, in the diurnal band, we estimate the retrograde diurnal polar motion signal with an accuracy of 0.15 mas. The Earth tide software ETERNA 3.40 was adopted and modified to analyse this data. Our estimation provides one more evidence for the existence of the Earth's fluid outer core. Furthermore, we found that the tidal parameters for the G-ring are affected by the cavity and topographic effects in the semi-diurnal band. The local air pressure record is used in order to investigate the atmospheric loading effect on the G-ring by a simple regression model. Nevertheless, the preliminary result shows that no significant influence from atmospheric loading on our estimation is found. This Thesis closes with a summary of the obtained results, conclusions and suggestions how the analysis of ring laser data could be improved in future work.