ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ СРЕДОЙ ВЕРТИКАЛЬНОЙ СТРУКТУРЫ Российский патент 2010 года по МПК G01C19/66 

Область техники

Предлагаемое изобретение относится к области твердотельных лазерных гироскопов, используемых, в частности, в инерциальных навигационных системах. Оборудование этого типа используется, например, в авиационных навигационных системах.

Предшествующий уровень техники

Лазерный гироскоп, разработанный более тридцати лет назад, давно распространен на рынке и широко используется в наши дни. Принцип действия лазерного гироскопа основан на эффекте Sаgnас, который связан с возникновением разности частот Δν между двумя оптическими модами излучения, распространяющимися в противоположных направлениях в двухмерном кольцевом лазерном резонаторе, приводимом во вращательное движение. Классическим образом разность частот Δν, возникающая между двумя оптическими модами в результате этого вращательного движения, может быть выражена соотношением:

Δν=4AΩ/λL,

где L и А представляют собой соответственно длину и площадь поперечного сечения резонатора; λ - длина волны излучения за пределами условий, в которых действует эффект Sаgnас; Ω - скорость вращения данной системы. Измерение величины Δν, обеспечиваемое при помощи спектрального анализа биения частот двух излученных пучков, позволяет определить величину скорости вращения Ω с очень высокой точностью.

В обычных лазерных гироскопах среда лазерного усилителя представляет собой газообразную смесь атомов гелия и неона в соответствующей пропорции. Газообразный характер среды усилителя, однако, представляет собой источник технических сложностей при реализации такого лазерного гироскопа, в частности, по соображениям требуемой в данном случае очень высокой чистоты газов и преждевременного износа резонатора в процессе его использования, возникающего, в частности, вследствие утечек газа и повреждения электродов высокого напряжения, используемых для установления инверсии населенности (энергетических уровней).

Имеется возможность реализовать твердотельный лазерный гироскоп, функционирующий в области видимого спектра или в ближней инфракрасной области, используя при этом, например, среду усилителя, выполненную на основе кристаллов, легированных ионами редкоземельных металлов, таких как неодим, эрбий или иттербий, вместо газообразной смеси гелия и неона, при этом оптическая накачка обеспечивается при помощи лазерных диодов, функционирующих в ближней инфракрасной области. Таким образом, де факто, устраняются все упомянутые выше проблемы, присущие газообразному состоянию среды усиления.

Имеется также возможность реализовать твердотельный лазерный гироскоп на основе полупроводниковых сред, накачка которых обеспечивается оптическим или электрическим образом. Современные лазерные гироскопы этого типа являются монолитными и имеют относительно небольшие габаритные размеры. При этом они не обеспечивают, с одной стороны, достаточной точности измерений, сопоставимой с точностью измерений, обеспечиваемой газовыми лазерными гироскопами, а с другой стороны, применение оптических методов либо для устранения частотной связи при небольших скоростях вращения, то есть устранения, так называемой, слепой зоны, либо для компенсации шумовых эффектов, имеющих термическое происхождение.

Краткое изложение существа изобретения

Технической задачей предлагаемого изобретения является создание твердотельного лазерного гироскопа, содержащего полупроводниковую среду, снабженного внешним резонатором и образованного соединенными между собой дискретными элементами, который обеспечивает возможность реализации резонаторов относительно больших размеров, позволяющих одновременно достигнуть желаемой точности измерений и обеспечить использование в этом резонаторе оптических элементов.

Более конкретно, объектом предлагаемого изобретения является лазерный гироскоп, содержащий по меньшей мере один кольцевой оптический резонатор и твердотельную среду усилителя, выполненные таким образом, что две оптические волны со средней длиной волны λ₀ имеют возможность распространяться в противоположных направлениях внутри этого резонатора, характеризующийся тем, что размеры резонатора существенно превышают размеры среды усилителя, при этом среда усилителя представляет собой полупроводниковую среду, имеющую средний оптический показатель преломления n и вертикальную структуру, содержащую пакет плоских и параллельных между собой зон усиления.

Предпочтительно полупроводниковая среда содержит плоское зеркало, расположенное под зонами усиления и параллельно этим зонам таким образом, чтобы две оптические волны, распространяющиеся внутри резонатора, отражались зеркалом после прохождения через зоны усиления.

Предпочтительно оптические волны, распространяющиеся внутри резонатора, отражаются зеркалом, располагающимся под некоторым углом i наклона, это зеркало представляет собой Брэгговский пакет, оптимизированный таким образом, чтобы быть полностью отражающим на средней длине волны λ₀ и под упомянутым углом наклона i, и пакет зон усиления содержит на поверхности, противоположной поверхности расположения зеркала, обработанный участок, препятствующий отражению на средней длине волны λ₀ и под углом наклона i.

Предпочтительно среда усилителя выполнена таким образом, чтобы максимальные значения напряженности поля интерференционной фигуры, полученной при помощи оптических волн, распространяющихся внутри полупроводниковой среды, располагались в плоскостях зон усиления, причем эти зоны усиления отстоят одна от другой на некоторое расстояние, определяемое соотношением

Предпочтительным образом предлагаемый лазерный гироскоп содержит средства фотодетектирования напряженности поля распространяющихся в противоположных направлениях волн, причем модуляции напряженности поля упомянутых волн образуют сигнал измерения скорости движения или углового положения этого лазерного гироскопа.

Объектом предлагаемого изобретения также является система измерения углового положения или угловой скорости, содержащая по меньшей мере один лазерный гироскоп в соответствии с изобретением.

Предпочтительно резонаторы лазерных гироскопов системы измерения ориентированы таким образом, чтобы реализовать измерения в трех независимых направлениях.

Краткое описание чертежей

Другие характеристики и преимущества предлагаемого изобретения будут лучше поняты из приведенного ниже и не являющегося ограничительным описания примера его реализации, где даются ссылки на приведенные в приложении чертежи, на которых:

Фиг.1 изображает схему лазерного гироскопа в соответствии с предлагаемым изобретением;

Фиг.2 - геометрию среды полупроводникового лазера в форме ленты согласно изобретению;

Фиг.3 - геометрию среды полупроводникового лазера с вертикальной структурой, согласно изобретению;

Фиг.4 и 5 - геометрию стационарной волны, создаваемой в структуре при помощи падающей волны и при помощи ее отражения от зеркала, располагающегося под упомянутой структурой согласно изобретению;

Фиг.6 - состояние поляризации падающей и отраженной волн в случае, показанном на фиг.4, согласно изобретению;

Фиг.7 - геометрию стационарной волны, создаваемой в структуре при помощи двух падающих волн, распространяющихся в противоположных направлениях, и при помощи их отражений от зеркала, располагающегося под упомянутой структурой, согласно изобретению;

Фиг.8 - вариации напряженности поля стационарной волны в конфигурации, показанной на фиг.7, согласно изобретению.

Описание предпочтительных вариантов воплощения изобретения

На фиг.1 представлена схема лазерного гироскопа в соответствии с предлагаемым изобретением, который содержит:

резонатор 1, изготовленный из первого материала и содержащий насколько возвратных зеркал 3 и 4 и одно частично отражающее зеркало 5;

полупроводниковую среду усилителя 2;

оптические элементы 6 и 7, в случае необходимости представленные пунктирными линиями и используемые, например, для устранения слепой зоны или для введения термической компенсации.

Данная система выполнена таким образом, чтобы две оптические волны имели возможность распространяться в двух противоположных направлениях внутри резонатора. Эти две волны показаны при помощи двойной линии на фиг.1. Волны проходят через различные оптические элементы, расположенные в резонаторе.

Оптоэлектронное измерительное устройство 8 показано пунктирной линией и позволяет рассчитать угловой параметр, измеренный на основе фигуры интерференции двух распространяющихся в противоположных направлениях волн, исходящих из частично отражающего зеркала 5.

Независимо от используемых материалов и от используемых длин волн, основными параметрами выбора, относящимися к полупроводниковой среде, являются ее структура и способ ее функционирования в режиме передачи или в режиме отражения.

Для практического использования доступны полупроводниковые среды, в основном имеющие структуру двух типов.

Структура 2 в виде ленты (фиг.2). Активная зона 21, в которой имеет место стимулированное излучение, является сплошной. Излучение оптического пучка 22 осуществляется при помощи одной из боковых поверхностей 23. Оптический режим излучения, распространяющегося в этой структуре, может представлять собой многомодовый режим. В этом случае геометрия пучка является асимметричной (фиг.2). Высота моды, соответствующая ее размеру вдоль так называемой быстрой оси АR, обычно имеет величину, составляющую несколько микрон, а ее ширина, соответствующая ее размеру вдоль так называемой медленной оси АL, имеет величину, составляющую несколько десятков микрон. Оптический режим излучения, распространяющегося в этой структуре, также может представлять собой одномодовый режим. При этом мода является симметричной. В этом случае говорят о так называемых поперечных одномодовых структурах. Для применений в области прецессионных гироскопов использование полупроводниковой лазерной среды в форме поперечной одномодовой ленты является осложненным. Действительно, необходимо, чтобы мода имела диаметр в несколько микрон внутри резонатора ленты и диаметр в несколько десятков микрон снаружи от резонатора. Распространение моды в активной зоне также должно быть направляемым. Использование ленты, не являющейся поперечной одномодовой, больше не представляется удобным, поскольку мода, чтобы быть сфокусированной и направляемой на медленной оси, должна быть сильно эллиптической.

Вертикальная структура (фиг.3). Активная среда не является сплошной. Она представляет собой пакет, состоящий из тонких активных зон 24, толщина которых обычно составляет примерно десяток нанометров, отделенных друг от друга прослойками 25, имеющими толщину, равную λ/2n. При этом свет излучается верхней поверхностью 26 или нижней поверхностью 27, и мода, распространяющаяся в резонаторе этого типа, обладает вращательной симметрией. Эти структуры называют VСSЕL, что является сокращением выражения Vеrtiсаl Саvity Surfасе Еmitting Lаsеr, в том случае, когда лазер является полностью монолитным, причем зоны усиления зажаты между двумя Брэгговскими пакетами, одним полностью отражающим и другим, являющимся выходным зеркалом, имеющим передаточную способность на уровне около 0,1%. В том случае, когда выходное зеркало представляет собой дискретный элемент, эти резонаторы называют VЕСSЕL, что является сокращением выражения Vеrtiсаl Ехtеrnаl Саvity Surfасе Еmitting Lаsеr. На фиг.3 представлен только пакет активных зон. Полностью отражающее зеркало может представлять собой Брэгговское зеркало или диэлектрическое зеркало, присоединенное к данной структуре. Обработка поверхности структуры, противоположной зеркалу, может представлять собой противоотражательную обработку. Имеется также возможность, корректируя ее коэффициент отражения, способствовать одномодовому излучению этих структур.

Для применений в области прецессионных гироскопов использование вертикальной структуры является более подходящим в той мере, в какой зоны усиления могут иметь диаметр, составляющий примерно сотню микрон, то есть близкий к размерам оптического пучка, циркулирующего в резонаторе, что позволяет также обеспечить возможность распространения волны без направляющего воздействия.

Однако эти вертикальные структуры не могут быть просто использованы для передачи в лазерном гироскопе. Действительно, будут две распространяющиеся в противоположные стороны волны, векторы электрического поля которых обозначены и

где: и

где k классическим образом представляет собой волновой вектор данной волны, ω - пульсация этой волны, φ - исходная фаза этой волны. При этом знаки "+" и "-" указывают направление распространения данной волны.

В резонаторе лазерного гироскопа полное электрическое поле Еt, возникающее из интерференции двух волн, может быть представлено в виде:

и полная напряженность поля It может быть представлена в следующем виде:

Для некоторой фиксированной точки в резонаторе напряженность поля изменяется во времени между некоторым максимальным значением и некоторым минимальным значением с пульсацией, которая может быть выражена соотношением (ω₊-ω_-), хотя представляется, что волна перемещается по отношению к упомянутой точке. Если в резонаторе располагают вертикальную структуру, функционирующую в режиме передачи, максимальные значения напряженности поля могут накладываться на зоны усиления. При этом стационарная волна больше не сможет свободно перемещаться под действием вращения. Таким образом, получают "блокировку по частоте в результате усиления", которая фактически делает данное устройство непригодным для использования в качестве лазерного гироскопа.

Функционирование вертикальных структур в режиме отражения позволяет преодолеть упомянутые выше недостатки.

На фиг.4 представлен схематический вид в разрезе вертикальной структуры 2, функционирующей в режиме отражения. Здесь для упрощения полагают, что данная структура подобна активной среде 28 с показателем преломления n, на которую нанесено отражающее покрытие или зеркало 29. В том случае, когда эта структура освещается одной волной, падающая волна 30 и волна 31, отраженная зеркалом 29, взаимодействуют между собой в активной среде 28. Эта зона 32 взаимодействия или интерференции представлена на фиг.4 треугольной заштрихованной зоной. Знаком + будут индексироваться параметры, связанные с падающей волной, и знаком +r будут индексироваться параметры, связанные с отраженной волной. Символом i обозначается угол падения.

В системе координат (О, Oх, Oу) (фиг.4) векторы распространения и падающей и отраженной волн в активной среде записываются соответственно при помощи выражений:

Являющееся репрезентативным для падающей волны поле может быть представлено в виде:

и поле, являющееся репрезентативным для падающей отраженной волны записывается, если коэффициент отражения может быть представлен в виде

как:

В той зоне, где две волны накладываются друг на друга, полное электрическое поле в точке определяется выражением:

и полная напряженность поля It, которая классическим образом выражается соотношением равна:

Или же еще, заменяя векторы волн их выражениями в функции длины волны λ₀, получают:

Скалярное произведение зависит от поляризации падающей волны. На фиг.6 представлена база возможных состояний линейной поляризации падающей волны и отраженной волны, состояний, называемых перпендикулярным и параллельным состоянием, в соответствии с которым репрезентативный вектор электрического поля волны находится в плоскости падения или является перпендикулярным к ней. Эти векторы обозначены на фиг.6 следующим образом E_+//, E_+r//, E_+⊥, E_+r⊥.

В том случае, когда волна находится в состоянии параллельной поляризации, скалярное произведение принимает вид В том случае, когда волна находится в состоянии перпендикулярной поляризации, скалярное произведение принимает вид

Для упрощения выражений в последующем изложении выбирают действительные значения параметров и и величину R коэффициента отражения по напряженности электрического поля, равную 1. Полная напряженность электрического поля при этом может быть записана в виде:

Фигура интерференции, соответствующая напряженности электрического поля It, является фиксированной. Эта фигура образована сетью плоских интерференционных полос, параллельных зеркалу и располагающихся на одинаковых расстояниях друг от друга с шагом

На фиг.5 схематически представлена структура интерференционных полос 33 в системе координат (О, Ох, Оу, Оz). Здесь каждый параллелепипед представляет положение максимальных значений напряженности электрического поля.

На фиг.7 представлен схематический вид в разрезе вертикальной структуры 2, функционирующей в режиме отражения. Для упрощения последующего изложения будет считаться, что эта структура способна к ассимиляции в активную среду 28 с показателем преломления n, на которую нанесено зеркально отражающее покрытие 29. В том случае, когда эта структура освещается двумя распространяющимися в противоположных направлениях волнами с различными частотами, взаимодействуют между собой четыре волны 30, 31, 35 и 36:

первая падающая волна 30, циркулирующая в некотором первом направлении, обозначенном индексом "+", которая при использовании тех же обозначений, что и в предшествующем изложении, может быть представлена в виде

отраженная волна 31, соответствующая этой первой падающей волне, которая может быть представлена в виде

вторая падающая волна 35, циркулирующая в противоположном направлении, обозначенном индексом "-", может быть представлена в виде

отраженная волна 36, соответствующая этой второй падающей волне, которая может быть представлена в виде

Полное электрическое поле при этом может быть записано в следующем виде:

Как и в предшествующем изложении, для упрощения расчетов выбирают взятие модулей действительных и равных электрических полей и величину R коэффициента отражения по напряженности электрического поля, равную 1. При этом полное электрическое поле может быть записано в виде:

Поскольку:

и

При этом справедливо выражение:

и

В результате можно записать:

На основе выражения для полного электрического поля рассчитывают величину полной напряженности электрического поля I_tоtаl, которая может быть представлена в виде:

Таким образом, в условиях, когда две волны циркулируют в среде с показателем преломления n, как это имеет место в том случае, когда имеется в наличии двухмерное излучение в лазерном гироскопе, максимальная напряженность электрического поля локализована вдоль фиксированных линий, параллельных зеркалу. На фиг.8 проиллюстрирована интерференционная картина.

Если среда образована пакетом тонких активных зон, совмещающих эти линии с активными зонами, удается таким образом оптимизировать функционирование лазера.

При этом существует некоторая прогрессивная волна вдоль этих линий, но она вводит лишь незначительную модуляцию насыщения усиления. Действительно, обычно существует большое количество максимальных значений внутри взаимодействующих между собой оптических пучков излучения. При этом упомянутая прогрессивная волна вводит максимум одно изменение одного максимального значения, и изменение весьма незначительное.

В качестве примера можно сказать, что для длины волны λ₀, составляющей 1 микрон, для среднего угла падения i, составляющего 45 градусов, и для среднего оптического показателя преломления n, равного 3, два максимальных значения прогрессивной волны, перемещающейся в плоскости зеркал вдоль координаты Ох, отделены друг от друга расстоянием d, величина которого определяется следующим соотношением:

Вследствие этого световой пучок, имеющий средний диаметр порядка 100 микрон, содержит 140 максимальных значений. Таким образом, и без учета гауссова профиля моды, который усиливает роль центра пучка по отношению к его краям, модуляция усиления составляет по максимуму 1 к 140, или 0,7%. Столь малая модуляция не приводит к блокировке в результате усиления. Она влечет за собой лишь небольшую модуляцию выходной мощности, которая предпочтительным образом может быть использована в качестве сигнала считывания.

Чтобы оптимизировать это функционирование, упомянутое полностью отражающее зеркало представляет собой так называемый Брэгговский пакет или упомянутое выше диэлектрическое зеркало, оптимизированное для требуемого угла падения. Этот пакет или это зеркало позволяет обеспечить получение коэффициентов отражения, близких к 100%.

Зоны усиления, изготовленные поверх этого пакета, должны быть точно позиционированы. Для этого их шаг должен иметь величину, определяемую соотношением

и положение первой зоны по отношению к упомянутому пакету оптимизируется таким образом, чтобы принять во внимание возможные фиксированные расхождения фаз так, чтобы все зоны усиления совпадали с линиями, параллельными плоскости структуры, для которой напряженность электрического поля является максимальной.

На выходной поверхности может быть сформирован другой пакет, обладающий более или менее значительным коэффициентом отражения, если желательно в зоне усиления получить выгоду от эффекта подрезонатора, увеличивающего эффективный коэффициент усиления, обеспечиваемый резонатором лазерного гироскопа. В случае использования пучка накачки пакет, через который проходит пучок накачки, также может быть реализован таким образом, чтобы быть противоотражательным на длине волны пучка накачки.

Следует отметить, что возможности многомодового излучения в результате неоднородного насыщения усиления, называемого также "sраtiаl hоlе burning", оказываются уменьшенными. Действительно, шаг интерференционной картины изменяется в незначительной степени в функции длины волны. Таким образом, для полупроводника, излучающего на длине волны в 1 микрон и имеющего ширину слоя усиления в 1 нанометр, этот шаг изменяется не более чем на 0,1%. Вследствие этого только один способ для волны использовать одну ненасыщенную зону усиления будет состоять в том, чтобы иметь весьма сильно отличающуюся длину волны, что является невозможным по причине определенной спектральной ширины усиления.

Изобретение относится к области твердотельных лазерных гироскопов, используемых в инерциальных системах, в частности в авиационных. Гироскоп содержит полупроводниковую среду и образован соединенными друг с другом дискретными элементами, обеспечивая таким образом возможность реализовать резонаторы относительно больших размеров, позволяющие достигнуть желаемой точности измерений. Более конкретно, гироскоп содержит кольцевой оптический резонатор и полупроводниковую среду усилителя с наружным резонатором вертикальной структуры, содержащей пакет плоских и параллельных между собой зон усиления, причем размеры резонатора, по существу, превышают размеры среды усилителя и эта среда усилителя используется в режиме отражения. 2 н. и 7 з.п. ф-лы, 8 ил.

1. Лазерный гироскоп, содержащий по меньшей мере один кольцевой оптический резонатор (1) и твердотельную среду усилителя (2), расположенные таким образом, что две оптические волны со средней длиной волны λ₀ имеют возможность распространяться в противоположных направлениях внутри этого резонатора, отличающийся тем, что размеры этого резонатора существенно превышают размеры среды усилителя, при этом среда усилителя представляет собой полупроводниковую среду, имеющую средний оптический показатель преломления n и вертикальную структуру, содержащую пакет плоских зон усиления (24), параллельных между собой, причем полупроводниковая среда содержит плоское зеркало (29), расположенное под зонами усиления и параллельно этим зонам так, чтобы две оптические волны, распространяющиеся внутри резонатора, отражались зеркалом после прохождения через зоны усиления, причем плоское зеркало (29) расположено под некоторым углом i наклона, а твердотельная среда усилителя выполнена таким образом, чтобы максимальные значения напряженности поля на интерференционной картине, полученной при помощи оптических волн, распространяющихся внутри полупроводниковой среды, располагались в плоскостях зон усиления.

2. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что это зеркало (29) представляет собой так называемый Брэгговский пакет, оптимизированный таким образом, чтобы быть полностью отражающим на средней длине волны λ₀ и под углом наклона i.

3. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что это зеркало (29) представляет собой зеркало, присоединенное под зонами усиления и выполненное таким образом, чтобы быть полностью отражающим на средней длине волны λ₀ и под углом наклона i.

4. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что пакет зон усиления содержит на поверхности, противоположной поверхности расположения зеркала, оптическую обработку на средней длине волны λ₀ и под углом наклона i.

5. Лазерный гироскоп по п.4, отличающийся тем, что пакет зон усиления содержит на поверхности, противоположной поверхности расположения зеркала, оптическую обработку, препятствующую отражению на средней длине волны λ₀ и под углом наклона i.

6. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что зоны усиления отстоят одна от другой на расстояния, определяемые соотношением

7. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что содержит средства фотодетектирования напряженности поля распространяющихся в противоположных направлениях волн, причем модуляции напряженности поля волн образуют сигнал измерения угловой скорости движения или углового положения лазерного гироскопа.

8. Система измерения углового положения или угловой скорости, отличающаяся тем, что содержит по меньшей мере один лазерный гироскоп в соответствии с одним из пп.1-7.

9. Система измерения по п.8, отличающаяся тем, что содержит три лазерных гироскопа, резонаторы которых ориентированы таким образом, чтобы реализовать измерения в трех независимых направлениях.