КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР Российский патент 2002 года по МПК H01S3/83 G01C19/66 

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области преобразования параметров вращения в электрический сигнал с помощью гироскопов, в которых чувствительным элементом служит кольцевой лазер. Оно может быть использовано, например, в системах навигации.

Известна конструкция моноблочного кольцевого лазера, которая содержит диэлектрические зеркала, образующие оптический резонатор [1]. Два из них закреплены на оптических поверхностях моноблока. Одно из диэлектрических зеркал, аксиально регулируемое, опирается на мембрану, выполненную проточкой в цилиндрическом блоке из материала, подобного моноблоку. В углублении расположена пьезоэлектрическая стопа, которая регулирует положение зеркала.

Недостатками этой конструкции являются большие потери в резонаторе, недостаточный срок службы, недостаточная радиационная стойкость, натяжения в диэлектрическом слое, возникающие в результате жесткого вакуумно-плотного соединения подложки с несущей конструкцией.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является кольцевой лазер, включающий корпус, оптический резонатор, образованный тремя недисперсионными призмами полного внутреннего отражения (ПВО), оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, и активный элемент [2]. Преломляющие поверхности призм расположены под углом Брюстера к падающему на них излучению. Каждая сторона кольцевого лазера состоит из лазерной разрядной трубки, а каждая из трубок герметично соединена с преломляющими поверхностями соответствующих призм. Излучение из резонатора выведено путем нарушения условия ПВО в одной из призм. При работе прибора должны быть обеспечены одномодовый режим вблизи порога генерации и расположение поверхностей призм под углом Брюстера, чтобы излучение было линейно поляризованным.

К недостаткам этой конструкции можно отнести следующие: сложность и трудоемкость изготовления, сложность юстировки прибора, разъюстировка во время работы, большие натяжения в призмах ПВО, приводящие к двойному лучепреломлению и повышению магнитной чувствительности прибора, малая механическая прочность, высокая вероятность выхода прибора из строя из-за большого количества вакуумных соединений. Так как излучение выведено из резонатора в результате нарушения ПВО на одной из призм, создаваемого частичным контактом, а именно очень малым зазором между соответствующей гранью призмы и плоскопараллельной пластиной, то это приводит к возникновению механических натяжений в зоне контакта, а также попаданию отраженных лучей в резонатор, что влечет за собой увеличение области нечувствительности прибора и снижение его точности.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности и надежности прибора, снижение трудоемкости его изготовления и увеличение срока его службы за счет снижения чувствительности к внешнему магнитному полю, улучшения регулировки периметра резонатора, уменьшения рассеяния лазерного излучения на оптических элементах, оптимизации компоновки элементов конструкции, повышения механической прочности и герметичности вакуумных соединений.

Поставленная задача решена за счет того, что в известном кольцевом лазере, включающем корпус, оптический резонатор, образованный тремя недисперсионными призмами ПВО, оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, и активный элемент, элементы оптического резонатора и оптические элементы для сведения лучей установлены посадочными поверхностями, расположенными под углом к рабочим оптическим поверхностям, на выполненный из материала с малым коэффициентом термического расширения базовый элемент, имеющий прорези, обеспечивающие при механическом воздействии на базовый элемент изменение взаимного расположения призм резонатора, и вместе с активным элементом помещены в вакуумно-плотный корпус, причем величина угла α между отражающей и преломляющей гранями каждой призмы оптического резонатора определяется соотношением α = arcsin((sinϕ)/n_s)+γ_s, где ϕ - угол падения луча на преломляющую грань, который для всех граней, кроме по крайней мере одной, отражающей два луча для выведения их из резонатора, равен углу Брюстера для рабочей длины волны; n_s- коэффициент преломления материала призм для рабочей длины волны; γ_s - угол падения луча рабочей длины волны на отражающую грань, который для всех призм резонатора больше предельного угла ПВО для рабочей длины волны, и по крайней мере для одной из призм резонатора должно быть выполнено соотношение α = arcsin((sinϕ)/n_k)<γ_klim, где n_k - коэффициент преломления материала призм для конкурирующей длины волны; γ_klim - предельный угол ПВО для конкурирующей длины волны, а оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, представляют собой призму, поворачивающую первый из выведенных лучей, выполненную в виде уголкового отражателя с входной гранью, расположенной под углом, близким к углу Брюстера для рабочей длины волны, и клиновидную пластину, отклоняющую второй выведенный луч до совмещения с первым на дифрагирующем ребре этой пластины.

Так как посадочные и оптические поверхности резонаторных призм пространственно разделены, то механические натяжения, возникающие в местах крепления, удалены от световых зон, что исключает возникновение двойного лучепреломления, позволяет значительно снизить магнитную чувствительность по сравнению с прототипом, в котором оптические грани являются установочными поверхностями.

В целях улучшения регулировки периметра в базовом элементе предусмотрены прорези, обеспечивающие при механическом воздействии на базовый элемент изменение взаимного расположения призм резонатора, определяющего его длину, что дает возможность регулировать периметр резонатора и при этом не воздействовать механически на призмы ПВО, вызывая механические натяжения в их материале. Базовый элемент с установленными на нем элементами оптического резонатора, оптическими элементами, вместе с активным элементом помещен в вакуумно-плотный корпус, что сводит к минимуму количество вакуумных соединений и повышает их герметичность, а значит надежность прибора и его механическую прочность. В целом такая компоновка элементов оптимальна, так как повышает технологичность сборки и снижает трудоемкость изготовления.

Принцип селекции излучения по углу ПВО, обеспечиваемой выбором угловых размеров резонаторных призм, а именно, величины угла α между отражающей и преломляющей гранями призм, удовлетворяющей указанным выше условиям, увеличивает диапазон допустимых значений угла ПВО для рабочей длины волны γ_s. Например, для селекции излучения с рабочей длиной волны 0,63 мкм из этих условий следует, что угол γ_s на всех призмах должен быть больше 43,33^o и хотя бы на одной из призм меньше 43,87^o. В данном случае верхняя граница допустимых значений угла превышает ранее установленную 43,63^o и таким образом диапазон возможных величин угла ПВО увеличен на 0,24^o и составляет 0,54^o. Это расширяет возможности конструирования оптического резонатора с целью повышения точности прибора в целом.

Для вывода излучения из резонатора предложено отклонить по крайней мере одну из преломляющих граней резонаторной призмы, чтобы увеличить долю отраженного излучения. Оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, представляют собой призму и клиновидную пластину. Призма поворачивает первый из выведенных лучей и выполнена в виде уголкового отражателя с входной гранью, расположенной под углом, близким к углу Брюстера для рабочей длины волны, по отношению к падающему на нее излучению. Клиновидная пластина отклоняет второй выведенный луч до совмещения с первым на дифрагирующем ребре этой пластины. Это позволяет пространственно разъединить резонаторные призмы и оптические элементы и тем самым исключить возникновение механических натяжений в зоне их контакта, а также попадание отраженных лучей в резонатор, что уменьшает область нечувствительности прибора и повышает его точность.

На фиг.1 представлена принципиальная схема предлагаемого кольцевого лазера; на фиг.2 - реализованная конструкция трехпризменного кольцевого лазера.

На фиг.1 резонатор образован тремя недисперсионными призмами 1, которые вместе с оптическими элементами 2 и 3 для сведения лучей, выведенных из резонатора, установлены на базовом элементе 4, имеющем прорези 5. Базовый элемент 4 вместе с активным элементом 6 помещен в вакуумно-плотный корпус 7.

Устройство работает следующим образом.

В резонаторе, состоящем из призм ПВО 1, ход луча образует замкнутый контур. Так как преломляющая грань одной из призм отклонена от угла Брюстера, то от нее отражаются два луча. Оптический элемент 2, представляющий собой уголковый отражатель, входная грань которого расположена под углом Брюстера к падающему на нее излучению, поворачивает один из отраженных лучей. Оптический элемент 3 в виде клиновидной пластины отклоняет второй отраженный луч до совмещения с первым лучом на дифрагирующем ребре этой пластины. Сигнальный луч, полученный в результате сведения двух отраженных от преломляющей грани лучей, содержит информацию об угловой скорости вращения прибора. Так как базовый элемент 4, на котором установлены элементы оптического резонатора 1 и оптические элементы 2 и 3, имеет прорези 5, то механическое воздействие на базовый элемент меняет взаимное расположение резонаторных призм, а следовательно, и длину генерационного контура, и тем самым осуществляет регулировку длины периметра оптического резонатора. Источником генерационного излучения служит высокочастотный (ВЧ) разряд, возбуждаемый в каналах активного элемента 6. Базовый и активный элементы помещены в вакуумно-плотный корпус 7, образующий вакуумный объем, заполненный гелий-неоновой смесью.

Предлагаемое изобретение реализовано в конструкции трехпризменного кольцевого лазера, представленной на фиг.2. Установка призм резонатора 1 и оптических элементов 2,3 на базовый элемент 4 произведена методом оптического контакта. Базовым элементом в данной конструкции служит пластина, изготовленная из материала с малым коэффициентом термического расширения, например, ситалла, которая затем крепится к основанию корпуса. Резонатор состоит из одной сферической и двух плоских призм ПВО 1, преломляющие грани которых расположены под углом Брюстера для рабочей длины волны 0,63 мкм по отношению к падающему на них излучению. Призмы изготовлены из оптического материала, например, кварцевого стекла КУ-1 и установлены на посадочные поверхности, перпендикулярные оптическим рабочим поверхностям и удаленные на расстояние 10 мм от плоскости резонатора. В отличие от известных аналогов, где оптические поверхности являются одновременно посадочными, рассматриваемое техническое решение, согласно расчетам, обеспечивает достаточную удаленность генерационных зон от напряженно-деформированных участков материала призм, создаваемых зонами оптического контакта, и практически сводит к нулю вероятность возникновения фазовой анизотропии. Диафрагмы 8, обеспечивающие поддержание в резонаторе одномодового режима по поперечным модам, также являются элементами оптического резонатора. Они установлены по ходу луча и представляют собой две взаимно перпендикулярные пластины, изготовленные из кварцевого стекла. Для вывода из резонатора излучения, необходимого для получения требуемой мощности сигнала, одна из преломляющих граней сферической призмы отклонена от угла Брюстера на 1^o по отношению к падающему лучу, что увеличивает долю отраженного излучения. Призма 2 поворачивает один из отраженных лучей на 180^o, а призма 3, представляющая собой клиновидную пластину, смещает другой отраженный луч до сведения с первым на дифрагирующем ребре этой пластины. Обе эти призмы так же, как и резонаторные, изготовлены из оптического материала КУ-1. Подобная схема сведения исключает попадание в резонатор лучей, отраженных от элементов выводной оптики, что выгодно отличает данную конструкцию от известных аналогов. Вакуумно-плотный корпус 7 образован металлическим основанием 9 и крышкой 10, герметично соединенными друг с другом сварочным швом 11. Основание 9 может быть выполнено, например, из нержавеющей стали. Оно является монтажной базой и обеспечивает жесткость и механическую прочность всей конструкции прибора. Крышка изготовлена из стекла марки С1-52 и по периметру напаяна на обруч 12, изготовленный из ковара, который на окончательной стадии сборки соединен с основанием лазерной сваркой. Таким образом, отсутствие паяных и клеевых швов, значительно уступающих по герметичности и механической прочности сварочным, создает предпосылки для увеличения срока службы и повышения надежности прибора в целом. Для закрепления базового элемента 4 (ситалловой пластины) на металлическом основании предусмотрены стойки 13 с отверстиями для зажимов 14. Зажимы изготовлены из бронзы, так как ее коэффициент температурного расширения, а также пружинящие свойства соответствуют требуемым при эксплуатации прибора в диапазоне температур от - 60 до + 80^oС. Основное требование к закреплению пластины 4 - это сохранение планарности, т.е. отсутствие деформаций, приводящих к ее нарушению. Это условие выполнено, так как прижимное усилие бронзовой скобы зажима направлено к основанию и постоянно в указанном диапазоне температур. Активный элемент 6 закреплен аналогично ситалловой пластине 4 к соответствующей паре стоек основания при помощи бронзовых зажимов. Он представляет собой деталь, изготовленную из материала с малой диэлектрической проницаемостью ε, например, стекла ЛК-5. В этой детали выполнены каналы 15, размещенные по ходу луча, в которых созданы условия для поддержания ВЧ-разряда. Применение в конструкции ВЧ-разряда и использование в активном элементе материала с малой величиной ε позволяет снизить пороговую мощность, улучшить энергетические характеристики прибора. Электроды 16, возбуждающие ВЧ-разряд, расположены вдоль каналов. Они могут быть выполнены, например, в виде полосок из индия, нанесенных ультразвуковым паяльником на наружную поверхность колпака, на которые подано переменное напряжение от внешнего источника накачки. В пластине 4 выполнены прорези 5, обеспечивающие изменение взаимного расположения призм резонатора при подаче на пластину деформирующего усилия.

Подобное техническое решение можно реализовать следующим образом.

На участке пластины, расположенном между плоскими призмами, выполнены горизонтальное отверстие 17 и четыре вертикальных паза 18. Конструктивно это выглядит как полый куб, монолитно соединенный мембранами с основной частью пластины 4. Так как пластина имеет в центре вырез, то по геометрической конфигурации, а также по механическим и деформационным свойствам ее можно рассматривать как кольцо. Если приложить деформационное усилие к кубическому участку пластины, то его расширение приведет к изменению пространственного расположения плоских призм в горизонтальном направлении, т.е. к изменению геометрической длины периметра резонатора. Для этого в основание корпуса предусмотрена металлическая мембрана 19, которая по периметру соединена с основанием сварочным швом. К мембране также сваркой прикреплен металлический стержень 20. В отверстие на конце стержня вставлена игла 21, прижимающая кубический участок ситалловой пластины к основанию. Механическое усилие от пьезопривода 22, подаваемое на стержень 20 через мембрану 19 основания 9, вызывает деформацию куба, изменяющую расстояние между призмами 1. Таким образом осуществлена регулировка периметра резонатора. При этом исключено механическое воздействие на резонаторные призмы 1 и возникающее при этом двулучепреломление, что способствует поддержанию линейной поляризации излучения.

По предложенной конструкции был изготовлен и собран экспериментальный образец.

Проведенные испытания показали отсутствие механических натяжений в световых зонах резонаторных призм, создаваемых их креплением к базовому элементу и механическим воздействием на них при регулировке периметра резонатора и, как следствие, снижение чувствительности прибора к внешнему магнитному полю. Отсутствие натяжений позволило также значительно уменьшить связанные с ним потери на отражение лазерного излучения от оптических поверхностей. Сведение выведенных из резонатора лучей оптическими элементами, пространственно удаленными от резонаторных призм, позволило исключить попадание рассеянного на оптических элементах излучения в резонатор и связанное с этим увеличение области нечувствительности прибора. В результате создан задел для повышения точности лазерного гироскопа в целом. Оптимизация компоновки элементов конструкции позволила значительно снизить трудоемкость изготовления. Механическая прочность и герметичность вакуумных соединений металлических частей, выполненных лазерной сваркой, повысила надежность прибора и увеличила срок службы.

Литература
1. Англия, кл. H 1 С, заявка 1252952 от 17.04.69 г.

2. Англия, кл. H 1 С, заявка 1262293 от 2 февраля 1972 г. -прототип.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к области преобразования параметров вращения в электрический сигнал с помощью гидроскопов, в которых чувствительным элементом служит кольцевой лазер, и может быть использовано, например, в системах навигации. Кольцевой лазер включает корпус, оптический резонатор, образованный тремя недисперсионными призмами полного внутреннего отражения (ПВО), оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, и активный элемент, в котором элементы оптического резонатора и оптические элементы для сведения лучей установлены посадочными поверхностями. Базовый элемент имеет прорези, обеспечивающие при механическом воздействии на базовый элемент изменение взаимного расположения призм резонатора. Величина угла α между отражающей и преломляющей гранями каждой призмы оптического резонатора определяется соотношением α = arcsin((sinϕ)/n_s)+γ_s, где ϕ - угол падения луча на преломляющую грань, который для всех граней, кроме по крайней мере одной, отражающей два луча для выведения их из резонатора, равен углу Брюстера; n_s - коэффициент преломления материала призм; γ_s - угол падения луча на отражающую грань, который для всех призм резонатора больше предельного угла ПВО. Для одной из призм резонатора должно быть выполнено соотношение α = arcsin((sinϕ)/n_k)<γ_klim, где n_k - коэффициент преломления материала призм для конкурирующей длины волны; γ_klim - предельный угол ПВО для конкурирующей длины волны. Оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, представляют собой призму, поворачивающую первый из выведенных лучей, выполненную в виде уголкового отражателя с входной гранью, расположенной под углом, близким к углу Брюстера для рабочей длины волны. Технический результат изобретения - повышение точности и надежности прибора, увеличение срока службы, снижение трудоемкости изготовления. 2 ил.

Кольцевой лазер, включающий корпус, оптический резонатор, образованный тремя недисперсионными призмами полного внутреннего отражения (ПВО), оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, и активный элемент, отличающийся тем, что элементы оптического резонатора и оптические элементы для сведения лучей установлены посадочными поверхностями, расположенными под углом к рабочим оптическим поверхностям, на выполненный из материала с малым коэффициентом термического расширения базовый элемент, имеющий прорези, обеспечивающие при механическом воздействии на базовый элемент изменение взаимного расположения призм резонатора, и вместе с активным элементом помещены в вакуумно плотный корпус, причем величина угла α между отражающей и преломляющей гранями каждой призмы оптического резонатора определяется соотношением α = arcsin((sinϕ)/n_s)+γ_s, где ϕ - угол падения луча на преломляющую грань, который для всех граней, кроме, по крайней мере одной, отражающей два луча для выведения их из резонатора, равен углу Брюстера для рабочей длины волны, n_s - коэффициент преломления материала призм для рабочей длины волны γ_s - угол падения луча для рабочей длины волны на отражающую грань, который для всех призм резонатора больше предельного угла ПВО для рабочей длины волны, и, по крайней мере для одной из призм резонатора должно быть выполнено соотношение α = arcsin((sinϕ)/n_k)<γ_klim, где n_k - коэффициент преломления материала призм для конкурирующей длины волны, γ_klim - предельный угол ПВО для конкурирующей длины волны, а оптические элементы для сведения лучей, выведенных из резонатора, представляют собой призму, поворачивающую первый из выведенных лучей, выполненную в виде уголкового отражателя с входной гранью, расположенной под углом, близким к углу Брюстера для рабочей длины волны, и клиновидную пластину, отклоняющую второй выведенный луч до совмещения с первым на дифрагирующем ребре этой пластины.