ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 1998 года по МПК G01C19/64 

Изобретение относится к лазерным гироскопам и может быть использовано для измерения угловой скорости и малых вариаций угловой скорости вращения, например угловой скорости вращения Земли.

Известно, что угловая скорость вращения любого объекта может быть определена посредством измерения набега фаз оптического излучения в кольцевом лазерном интерферометре. Измеряемый набег фаз вызывается эффектом Саньяка.

Известны лазерные гироскопы для измерения угловой скорости вращения и вариаций угловой скорости вращения, состоящие из кольцевого трехзеркального резонатора, кюветы с активной средой, элемента сведения оптических лучей и фотоприемной системы.

Известен лазерный гироскоп для измерения угловой скорости вращения, который является наиболее близким к заявляемому и поэтому выбран в качестве прототипа. Он содержит активную среду для обеспечения генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало, образующие кольцевой трехзеркальный резонатор (интерферометр). Полупрозрачное зеркало на обратной стороне имеет плоскую дифракционную решетку. Выходящие лучи, совмещенные плоской дифракционной решеткой, подаются на фотоприемную систему. Активная среда размещена между двумя глухими зеркалами. Между каждым из глухих зеркал и выходным полупрозрачным зеркалом размещены преобразователи поляризации, которые представляют собой четвертьволновые пластины с двойным лучепреломлением так, чтобы их кристаллографические оси были ориентированы ортогонально. Между одной из четвертьволновых пластин и выходным полупрозрачным зеркалом помещен невзаимный элемент, использующий эффект Фарадея, так называемая "ячейка Фарадея". Между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой помещен поляризатор. Принцип действия такого гироскопа основан на эффекте Саньяка, который заключается в том, что частота собственных колебаний кольцевого резонатора для волны, распространяющейся но направлению вращения резонатора, уменьшается, а для встречной волны - увеличивается. Поскольку лазер излучает в двух противоположных направлениях, в кольцевом резонаторе образуются две волны, распространяющиеся одна по вращению гироскопа, другая - в противоположном направлении. Встречные волны, выходя из активной среды и попадая на четвертьволновые пластины, разворачивают свою плоскость поляризации на 45^o и оказываются поляризованными ортогонально. Оптическая ячейка Фарадея позволяет за счет подводимого внешнего магнитного поля получить начальную разность частот встречных волн. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала, проходят через поляризатор, который совмещает плоскости поляризации обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему. При этом на входе фотоприемной системы образуется интерфенционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разностью частот световых волн. С помощью фотоприемной системы измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерфенционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа.

Однако с помощью известных лазерных гироскопов невозможно измерять малые ( ≃ 0,01град. /ч) угловые скорости вращения из-за того, что эти устройства обладают достаточно широкой полосой синхронизации (порядка нескольких сотен Гц) частоты встречных волн. Эта полоса синхронизации возникает вследствие взаимодействия встречных пучков волн на неоднородностях оптической среды в резонаторе и невозможности изготовления идеальных оптических элементов. Это приводит к тому, что волны, разность частот которых меньше указанных выше величин, перестают давать сигнал разностной частоты, а это приводит к тому, что измерение угловой скорости вращения становится невозможным. Для того, чтобы уменьшить ширину полосы синхронизации встречных волн введены преобразователи поляризации и ячейка Фарадея, что позволяет уменьшить ширину полосы синхронизации в лучших образцах лазерных гироскопов до величин порядка 100 Гц. Однако известно, что невзаимные элементы, использующие эффект Фарадея, очень чувствительны не только к любым магнитным полям как управляющим, так и внешним, но и к составляющим угловой скорости, дающим проекцию на направление постоянного подмагничивающего поля. Поэтому лазерный гироскоп с невзаимным элементом, использующим эффект Фарадея, оказывается принципиально чувствительным не только к вращению вокруг оси, нормальной к плоскости резонатора, но и к угловым движениям, вектор угловой скорости которых лежит в плоскости резонатора. Кроме того, введение в резонатор невзаимного элемента сопровождается появлением потерь, которые приводят к изменению ряда характеристик гироскопа, например ухудшению добротности резонатора и, следовательно, к увеличению частотной нестабильности и ухудшению разрешающей способности прибора.

Задача, на решение которой направлено заявленное изобретение, заключается в разработке лазерного гироскопа, позволяющего измерять малые угловые скорости и малые вариации угловых скоростей вращения, т.е. достижение технического результата - повышение чувствительности устройства, при этом решаются дополнительные задачи - упрощение устройства за счет исключения ячейки Фарадея, улучшение разрешающей способности и уменьшение его частотной нестабильности.

Сущность изобретения заключается в том, что в известный лазерный гироскоп, содержащий активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на обратной стороне, фотоприемную систему и поляризатор, расположенный между выходным полупрозрачным зеркалом и фотодетектором, для решения поставленной задачи введены первая и вторая отражательная дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, причем первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, вторая отражательная дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом, первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом, при этом оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим и выходным полупрозрачным зеркалом.

Введение новых элементов: первой и второй отражательной дифракционной решетки, первого и второго поляризатора с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, их взаимное расположение как по отношению друг к другу, так и по отношению к известным элементам устройства позволяет достичь решения поставленной задачи - повышения чувствительности лазерного гироскопа, улучшения разрешающей способности, уменьшения частотной нестабильности, а также упростить в целом устройство, поскольку из схемы исключены преобразователи поляризации и ячейка Фарадея.

В отличие от известного технического решения в заявленном устройстве используются два луча света, бегущие не в разных, а в одном направлении, но по разным контурам (внешнему и внутреннему, образующим составной резонатор), имеющим разную оптическую длину светового пути и обладающие за счет прохождения через отражательные дифракционные решетки взаимно ортогональными плоскостями поляризации. Оптическое излучение на одной из двух ортогональных поляризаций, циркулирующее через активную среду, первое глухое зеркало, первую отражательную дифракционную решетку, где для луча света данной поляризации угол падения равен углу отражения, первый поляризатор, второе глухое зеркало, вторую отражательную дифракционную решетку, где для луча данной поляризации угол падения равен углу отражения, и выходное полупрозрачное зеркало, образует внешний контур резонатора. Оптическое излучение на другой поляризации, циркулирующее через активную среду, первое глухое зеркало, первую отражательную дифракционную решетку, где для луча света данной поляризации угол падения не равен углу отражения, выходное зеркало, второе глухое зеркало, первое глухое зеркало, вторую отражательную дифракционную решетку, где для луча данной поляризации угол падения опять не равен углу отражения, и выходное зеркало, образует внутренний контур резонатора. Первая отражательная дифракционная решетка разделяет оптическое излучение и часть его с одной поляризацией направляет во внешний контур, другую часть с ортогональной поляризацией - направляет во внутренний контур. Поляризаторы, стоящие после первой отражательной дифракционной решетки, окончательно вычищают оптическое излучение во внешнем и внутреннем контурах от излучения с неправильной поляризацией и пропускают далее только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. Поскольку оптическая длина светового пути в двух контурах резонатора разная, то резонаторы генерируют световое излучение на разных частотах, т.е. в устройстве сразу есть начальная разность частот, и поэтому в данном устройстве нет надобности в ячейке Фарадея. Кроме того, в отличие от прототипа, где лучи поляризованы взаимно ортогонально только вне активной среды, в предлагаемом устройстве два луча света поляризованы взаимно ортогонально также и в активной среде, т.е. во всем составном резонаторе.

Все это, как известно, приводит к тому, что лучи света со взаимно ортогональными плоскостями поляризации, с разнесенными частотами и, бегущие в одном направлении, крайне слабо взаимодействуют друг с другом. Это приводит к резкому уменьшению взаимовлияния генерируемых волн, (т.е. к практическому устранению конкуренции волн). Поэтому ширина полосы синхронизации лазерного гироскопа оказывается очень узкой, а это в свою очередь приводит к повышению стабильности его работы. Ширину полосы синхронизации при тщательном изготовлении элементов устройства, можно сделать сколь угодно малой - до десятой и сотых долей Гц, тогда как начальная разность частот, зависящая от длины стороны пятиугольника, может быть сделана достаточно большой, заведомо большей, чем ширина полосы синхронизации. В результате этого при любой скорости вращения предлагаемый лазерный гироскоп будет работать вне полосы синхронизации, в нем всегда будет присутствовать сигнал разностной частоты и, следовательно, любая угловая скорость или ее вариация оказывается измеримой, причем точность измерения ограничена лишь конечной шириной линии лазерного излучения. Потенциальная чувствительность предлагаемого лазерного гироскопа может быть оценена следующим образом. Известно, что добавка к начальной разностной частоте, обусловленная вращением гироскопа, которую можно измерить современными приборами при стандартной ширине линии лазерного излучения ≃ 10^-3 Гц, составляет ≃ 10^-2 Гц. Следовательно, предельная величина угловой скорости, которую сможет зафиксировать заявляемый лазерный гироскоп, если не принимать специальных мер, оцененная по стандартной формуле, составит ≃ 10^-7 град./с.

Оптическая схема устройства приведена на чертеже.

Активная среда 1, служащая для генерации лазерного излучения, расположена между первым глухим зеркалом 2 и выходным полупрозрачным зеркалом 8, на внешней (обратной) стороне которого нанесена плоская дифракционная решетка. Первая отражательная дифракционная решетка 3 расположена между первым глухим зеркалом 2 и вторым глухим зеркалом 6. Вторая отражательная дифракционная решетка 7 расположена между вторым глухим зеркалом 6 и выходным полупрозрачным зеркалом 8. Между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и вторым глухим зеркалом 6 расположен поляризатор 4, а между первой отражательной дифракционной решеткой 3 и внутренней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8 расположен поляризатор 5, при этом зеркала 2, 6 и 8, отражательные дифракционные решетки 3 и 7 расположены в вершинах правильного пятиугольника. Между внешней поверхностью выходного полупрозрачного зеркала 8 и фотоприемной системой 10 расположен поляризатор 9. Ход оптических лучей в устройстве показан на фигуре стрелками.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение с полным набором поляризаций, выходя из активной среды 1, отражается от зеркала 2, попадает на отражательную дифракционную решетку 3, которая разделяет оптическое излучение по поляризациям и часть его с ТМ-поляризацией, для которой угол падения равен углу отражения, направляет во внешний контур составного резонатора, образованного из элементов 1, 2, 3, 4, 6, 7 и 8. (Изготовление отражательных дифракционных решеток, подобных решеткам 3 и 7, не вызывает затруднений). Другая часть излучения с ТЕ-поляризацией, ортогональной ТМ-поляризации, для которой угол отражения от дифракционной решетки 3 не равен углу падения на нее, циркулирует по внутреннему контуру составного резонатора, образованного элементами 1, 2, 3, 5, 8, 6, 2, 7, 8. При этом отражательная дифракционная решетка 7 имеет те же свойства, что и решетка 3. Поляризатор 4 внешнего контура и поляризатор внутреннего контура вычищают оптическое излучение во внешнем и внутреннем контурах от излучения с неправильной поляризацией и пропускают далее себя только то излучение, которое обладает строго требуемой поляризацией. Поскольку оптическая длина светового пути в двух контурах резонатора разная, то резонаторы генерируют световое излучение на разных частотах. Два излучения со взаимно ортогональными плоскостями поляризации с разнесенными частотами и, бегущие в одном направлении, в активной среде 1 взаимодействуют с разными группами атомов. Это приводит к резкому уменьшению взаимовлияния генерируемых волн, (т. е. к практическому устранению конкуренции волн). Поскольку волны крайне слабо взаимодействуют друг с другом, полоса синхронизации оказывается очень узкой и может достичь в зависимости от тщательности изготовления оптических элементов устройства десятых или сотых долей Гц, а это в свою очередь приводит к повышению стабильности работы лазерного гироскопа. При любой скорости вращения предлагаемый лазерный гироскоп будет работать вне полосы синхронизации, в нем всегда будет присутствовать сигнал разностной частоты и, следовательно, любая угловая скорость или ее вариация оказывается измеримой. Оба луча собираются дифракционной решеткой, установленной на внешней стороне выходного полупрозрачного зеркала 8, проходят через поляризатор 9, который совмещает плоскости поляризации обоих лучей, и затем подаются на фотоприемную систему 10. При этом на входе фотоприемной системы 10 образуется интерференционное поле, характеризуемое последовательностью интерференционных полос, число и скорость перемещения которых определяется разностью частот световых волн. С помощью фотоприемной системы 10 (как и в прототипе) измеряется скорость прохождения максимумов интенсивности интерференционной картины, по которой и судят о скорости углового вращения лазерного гироскопа.

Источники информации
1. Зейгер С.Г., Климонтович Ю.Л., Ланда П.С., Ларионцев Е.Г., Фрадкин Э. Е., Волновые и флуктуационные процессы в лазерах.-М.: Наука, 1974, 416 с.

2. Серегин В.В., Кукулиев P.M. Лазерные гирометры и их применение, -М.: Машиностроение, 1990, 288 с.

3. Бычков С. И. , Лукьянов Д.П., Бакаляр А.И., Лазерный гироскоп,- М.: Сов.радио, 1975, 425 с. - прототип.

4. Kogelnik Н.// Bell Syst. Tell. J., -1969.- v. 48, N 9, р. 2909-2948.

Гироскоп предназначен для измерения угловой скорости и малых вариаций скорости вращения. Гироскоп содержит два глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало, две отражательные дифракционные решетки, которые размещены в вершинах правильного пятиугольника. Активная среда расположена между первым глухим зеркалом и выходным полупрозрачным зеркалом. Между фотоприемной системой и выходным полупрозрачным зеркалом расположен преобразователь поляризации. Первый поляризатор размещен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом. Второй поляризатор размещен между первой решеткой и полупрозрачным зеркалом. Плоскости пропускания поляризаторов взаимно ортогональны. В гироскопе образованы два резонансных контура. В каждом контуре в одном направлении бегут два луча, поляризованные ортогонально, что обеспечивает узкую полосу синхронизации и приводит к повышению чувствительности. 1 ил.

Лазерный гироскоп, содержащий активную среду для генерации оптического излучения, первое и второе глухие зеркала, выходное полупрозрачное зеркало с плоской дифракционной решеткой на внешней стороне, фотоприемную систему и преобразователь поляризации, расположенный между выходным полупрозрачным зеркалом и фотоприемной системой, отличающийся тем, что в него введены первая и вторая отражательные дифракционные решетки с возможностью отражения падающих лучей под углом, отличным от угла падения, первый и второй поляризаторы с взаимно ортогональными плоскостями пропускания, причем первая отражательная дифракционная решетка расположена между глухими зеркалами, вторая дифракционная решетка - между вторым глухим и выходным полупрозрачным зеркалами, первый поляризатор расположен между первой отражательной дифракционной решеткой и вторым глухим зеркалом, а второй поляризатор - между первой отражательной дифракционной решеткой и выходным полупрозрачным зеркалом, при этом оба глухих зеркала, выходное полупрозрачное зеркало и обе отражательные дифракционные решетки размещены в вершинах правильного пятиугольника, а активная среда расположена между первым глухим зеркалом и выходным полупрозрачным зеркалом.