ФОТОСМЕСИТЕЛЬНАЯ ПАРА ОПТИЧЕСКИХ ПРИЗМ ДЛЯ ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА С ПРИЗМАМИ ПОЛНОГО ВНУТРЕННЕГО ОТРАЖЕНИЯ Российский патент 1999 года по МПК G02B5/04 G01C19/66 

Область техники, к которой относится изобретение.

Лазерная гироскопия; МПК G 01 C 19/66.

Известна фотосмесительная пара оптических призм лазерного гироскопа, являющаяся прототипом, работающая на принципе нарушения полного внутреннего отражения (ПВО) малым зазором между первой (призмой резонатора кольцевого лазера) и второй призмой, имеющим постоянный коэффициент пропускания по области диафрагмирования излучения и обеспечивающая жесткое диафрагмирование пучка излучения, причем вторая призма закрепляется на первой клеем [1]. Под жестким диафрагмированием понимается диафрагмирование пучка лазерного излучения, при котором малому смещению пучка излучения (порядка 0,05 мм), или изменению диаметра пучка соответствует значительное (порядка 100%) изменение вносимых дифракционных потерь. В диапазоне температур переюстировки могут достигать величины порядка 0,1 мм. Жесткое диафрагмирование приводит к снижению точности лазерного гироскопа при наличии переюстировок разного происхождения. Клеевое соединение не обеспечивает достаточной механической жесткости и прочности соединения, особенно в широком температурном диапазоне, из-за чего не обеспечивается постоянство зазора между первой и второй призмами, а значит и коэффициента пропускания.

Изобретение ставит своей задачей повысить уровень точности лазерного гироскопа, работающего в широком температурном диапазоне, за счет снижения как минимум на порядок крутизны зависимости дифракционных потерь от ввода диафрагмы глубже в поле генерации.

Конструкция прототипа проиллюстрирована фиг. 1. Призма 1 имеет две преломляющие грани 2, 3 и отражающую грань (грань ПВО) 4. Призма 5 имеет отражающую грань (грань ПВО) 6, входную грань 7 и выходную грань 8. Грань 6 перпендикулярна грани 7 с малым отклонением от перпендикулярности (порядка 1') для образования интерференционной картины. Грани 6 и 7 образуют интерференционное ребро. Вторая призма закрепляется на первой заполнением зазора клеем вне зоны генерации, при этом на входной грани второй призмы имеется напыление, задающее величину зазора до 3 длин волн излучения между входной гранью второй призмы и отражательной гранью первой призмы. При этом входная грань частично перекрывает пятно генерации на отражательной грани первой призмы. Наличие малого зазора приводит к возникновению явления нарушения ПВО, которое заключается в том, что при выполнении условий полного внутреннего отражения излучение отражается тем не менее не полностью. За счет этого явления входная грань второй призмы, частично перекрывающая пятно генерации на отражательной грани второй призмы, выводит малую (порядка 0,01%) часть излучения встречно распространяющихся волн излучения кольцевого лазера, выполняя одновременно функцию диафрагмирования излучения. Выведенное из резонатора излучение одной из встречных волн распространяется к выходной грани второй призмы. Выведенное излучение второй встречной волны отклоняется отражательной гранью второй призмы так, что отраженное излучение распространяется к выходной грани второй призмы с малым углом (порядка 1') относительно излучения первой волны. В плоскости фотоприемника при этом образуется бегущая интерференционная картина, из которой затем извлекаются параметры вращения гироскопа.

Такая конструкция неработоспособна в широком диапазоне температур по следующим причинам: значительные тепловые переюстировки порядка 0.1 мм, приводящие к изменению дифракционных свойств фотосмесительной пары призм и мощности выводимого излучения; нестабильные свойства клея, приводящие к нестабильности зазора между первой и второй призмами пары, в результате чего также изменяются дифракционные свойства пары и мощность выводимого излучения.

Все эти физические явления приводят к изменению разности интенсивностей для встречных волн. Разность интенсивностей приводит к дополнительной разности частот встречных воли, описываемой формулой (15.6) из [2]. Эта разность частот приводит к погрешности, называемой сдвигом нуля лазерного гироскопа. При переюстировках (тепловых, механических) условия дифракции меняются неодинаково для встречных волн, что приводит к дополнительному изменению величины сдвига нуля. Постоянный сдвиг нуля можно учесть при калибровке лазерного гироскопа, однако в диапазоне температур сдвиг нуля становится переменной величиной, что снижает точность лазерного гироскопа.

Для стабилизации сдвига нуля необходима конструкция фотосмесительной пары призм, мало чувствительной к переюстировкам.

Предлагаемая фотосмесительная пара призм показана на фиг. 2. В конструкцию вводится установочная грань 9, причем вторая призма устанавливается оптическим контактом по этой грани на отражательную грань первой призмы. Установочная и входная грани второй призмы образуют установочное ребро. Входная грань второй призмы полностью перекрывает пятно генерации, причем величина зазора плавно меняется от 0 у установочного ребра до 3 (в зависимости от необходимого коэффициента пропускания излучения) длин волн излучения у интерференционного ребра. Оптический контакт между установочной гранью второй призмы и отражающей гранью первой призмы является существенным признаком в связи с тем, что при оптическом контакте, во-первых, возникает новое свойство - межмолекулярное взаимодействие между установочной гранью второй призмы и отражательной гранью первой призмы; во-вторых, коэффициент отражения отражающей грани первой призмы будет близок к нулю в зоне оптического контакта, что является основой для выбора закона плавного изменения величины расстояния от отражательной грани первой призмы до входной грани второй призмы.

Предлагаемая конструкция обеспечивает вывод излучения за счет эффекта нарушения ПВО малым (до 3 длин волн излучения) переменным зазором между призмами пары. Мягкое диафрагмирование обеспечивается градиентом коэффициента пропускания, возникающим благодаря переменности зазора. Под мягким диафрагмированием понимается диафрагмирование, при котором малому смещению пучка излучения или малому изменению диаметра пучка соответствует малое изменение вносимых дифракционных потерь. Благодаря способности к диафрагмированию отпадает необходимость в специально вводимой диафрагме, что снижает дифракционные потери и обратное рассеяние излучения. Стабильность смещения излучения обеспечивается креплением призм жестким и прочным оптическим контактом.

Таким образом, предложенная совокупность трех существенных признаков: установочная грань; оптический контакт между установочной гранью второй призмы и отражательной гранью первой призмы; плавное изменение величины расстояния от отражательной грани первой призмы до входной грани второй призмы от нуля у установочной грани до трех длин волн излучения у интерференционного ребра второй призмы; дает новое свойство: повышение уровня точности лазерного гироскопа в диапазоне температур, причем каждый в отдельности признак не дает данного положительного эффекта.

Перечень фигур чертежей и иных материалов:
фиг. 1 - чертеж прототипа фотосмесительной пары призм,
фиг. 2 - чертеж предлагаемой фотосмесительной пары призм, указано взаимное расположение призм пары, оптической оси,
фиг. 3 - график распределения коэффициента отражения излучения по сечению зазора,
фиг. 4 - график чувствительности к переюстировкам для предлагаемой смесительной призмы и прототипа.

Сведения, подтверждающие возможность осуществления изобретения.

Конструкция фотосмесительной пары призм приведена на фиг. 2. На фиг. 3 показано распределение энергетического коэффициента отражения по сечению в случае клиновидного зазора, т.е. зазора, у которого величина зазора линейно меняется от 0 у установочного ребра второй призмы до 3 длин волн излучения у интерференционного ребра второй призмы. На фиг. 3 координата X соответствует расстоянию от середины клиновидного зазора.

Клиновидный зазор обладает переменным коэффициентом пропускания по сечению зазора.

Зависимость энергетического коэффициента пропускания излучения от величины зазора имеет вид

ik_2zd = α;


где τ - коэффициент пропускания по интенсивности зазора размером d;
n - показатель преломления материала призм;
θ - угол падения излучения внутри первой призмы;
ε₁ - диэлектрическая проницаемость материала призм;
ε₂ - диэлектрическая проницаемость воздуха;
волновой вектор излучения в призмах;
λ - длина волны излучения.

Для подтверждения получения указанного выше технического результата были произведены сравнительные расчеты чувствительности к переюстировкам. Чувствительность к переюстировкам определяется как отношение изменения вносимых потерь к смещению оптического пучка при тепловых переюстировках. Результаты расчетов приведены на фиг.4 для прототипа и предлагаемой конструкции. На фиг.4 ΔS - величина переюстировки, ΔA - изменение вносимых потерь.

Очевидно, что чувствительность к переюстировкам существенно ниже для предлагаемого варианта смесительной призмы.

Литература
1. II Санкт-Петербургская международная конференция по гироскопической технике и навигации. Ч. 1. - Санкт-Петербург, 1995, с. 125-127.

2. Зейгер С.Г., Климонтович Ю.Л., Ланда П.С. и др. Волновые и флуктуационные процессы в лазерах/ Под ред. Ю.Л. Климонтовича - М.: Наука, 1974.

Фотосмесительная пара оптических призм для лазерного гироскопа с призмами полного внутреннего отражения относится к гироскопии. Фотосмесительная пара оптических призм для лазерного гироскопа с призмами полного внутреннего отражения содержит первую призму с двумя преломляющими гранями и одной отражающей гранью, вторую призму с входной, выходной, отражающей и установочной гранями. Имеется оптический контакт между установочной гранью второй призмы и отражающей гранью первой призмы вне поля генерации лазерного гироскопа. Величина расстояния от отражающей грани первой призмы до входной грани второй призмы плавно меняется от нуля от ребра, образованного установочной и входной гранями второй призмы, до трех длин волн излучения у ребра, образованного входной и отражающей гранями второй призмы. Изобретение позволяет повысить уровень точности лазерного гироскопа, работающего в широком температурном диапазоне. 4 ил.

Фотосмесительная пара оптических призм для лазерного гироскопа с призмами полного внутреннего отражения, включающая первую и вторую призмы, причем первая призма содержит две преломляющие грани и одну отражающую грань, а вторая призма содержит входную, выходную и отражающую грани, отличающаяся тем, что во второй призме вводится установочная грань, имеется оптический контакт между установочной гранью второй призмы и отражающей гранью первой призмой вне поля генерации лазерного гироскопа, причем величина расстояния от отражающей грани первой призмы до входной грани второй призмы плавно меняется от нуля у ребра, образованного установочной и входной гранями второй призмы, до трех волн излучения у ребра, образованного входной и отражающей гранями второй призмы.