ГИРОЛАЗЕР, СОДЕРЖАЩИЙ ТВЕРДЫЙ ЦИЛИНДРИЧЕСКИЙ УСИЛИТЕЛЬНЫЙ СТЕРЖЕНЬ, И СООТВЕТСТВУЮЩИЙ СПОСОБ ВОЗБУЖДЕНИЯ ТВЕРДОГО ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО УСИЛИТЕЛЬНОГО СТЕРЖНЯ ГИРОЛАЗЕРА Российский патент 2014 года по МПК G01C19/66 

Настоящее изобретение касается гиролазера, содержащего твердый цилиндрический усилительный стержень, системы измерения от одной до трех угловых скоростей, а также соответствующего способа возбуждения твердого усилительного элемента.

Гиролазер является датчиком движения, который позволяет измерять скорость вращения системы координат датчика по отношению к галилеевой системе координат по одной или нескольких осей.

В большинстве лазерных гирометров, называемых гиролазерами, используют газовую усилительную среду, которая обычно представляет смесь гелия и неона. Вместе с тем, можно использовать гиролазер с твердотельной усилительной средой, например, представляющей собой матрицу из YAG (алюмоиттриевого граната, легированного неодимом.

Принцип работы гиролазера основан на эффекте Саньяка лазерного резонатора, выполненного в виде двунаправленного кольца и приводимого в движение вращения. Эффект Саньяка индуцирует разность частоты (между двумя оптическими модами излучения, называемыми модами противоположного распространения, распространяющимися в противоположных направлениях внутри резонатора. В обычно используемых твердых средах, в том числе Nd:YAG, моды, распространяющиеся в противоположных направлениях, совместно используют одинаковые усиливающие атомы. В этом случае говорят об однородном коэффициенте усиления. Когда две моды противоположного распространения имеют равные или очень близкие частоты, получаемый в результате сигнал интерференции, является стоячей и, возможно, бегущей волной. Атомы среды усиления тем больше участвуют в процессе стимулированной эмиссии, чем ближе они находятся к пучности стоячей волны, и тем меньше, чем ближе они находятся к узлу. При этом в усилительной среде возникает решетка инверсии населенности, описанная стоячей волной. Эта решетка остается до тех пор, пока частоты двух мод противоположного распространения являются достаточно близкими. Ее контрастность тем слабее, чем больше разность частоты по отношению к обратной величине времени существования возбужденного уровня.

Во французской патентной заявке FR 2905005 (THALES) описан гиролазер, содержащий, по меньшей мере, один кольцевидный оптический резонатор и твердотельную усилительную среду, выполненные таким образом, чтобы две оптические моды противоположного распространения могли распространяться в противоположных друг другу направлениях внутри упомянутого оптического резонатора и проходить через усилительную среду. Усилительная среда связна с преобразующим устройством, обеспечивающим периодическое поступательное движение усилительной среды вдоль оси, по существу параллельной направлению распространения упомянутых оптических мод.

Такое устройство позволяет модулировать продольное положение активного кристалла вокруг среднего положения, чтобы атомы кристалла находились в движении относительно узлов и пучностей интерференционной картины, образованной двумя модами противоположного распространения, независимо от разности частоты между этими двумя модами. Такое устройство позволяет ослабить контрастность решетки усиления и, следовательно, ее отрицательное влияние на гирометрические измерения, не меняя при этом длины резонатора. Оно позволяет также ослабить влияние обратного рассеяния, индуцируемое усилительной средой. Наконец, это устройство потенциально является устройством обработки мертвой зоны, которое в зависимости от случая может заменять или дополнять обычное устройство механической активации.

Такое устройство должно обеспечивать повышенную частоту возбуждения, необходимую для использования в области гражданской авиации или в системе вооружений. Эта частота возбуждения должна быть больше разности частот, которая появляется между двумя модами противоположного распространения, для угловой скорости на входе гирометра, соответствующей искомой области измерения.

Техническая трудность заключается в получении достаточно высокой частоты механического возбуждения, порядка нескольких сот кГц, в сочетании с большой амплитудой колебания, порядка нескольких микрон, без ухудшения геометрических и размерных характеристик кристалла, образующего твердую усилительную среду. Действительно, искомая частота возбуждения приближается к собственным частотам вибраций кристалла или любого другого твердого тела аналогичного размера, порядка нескольких миллиметров.

Задачей настоящего изобретения является решение различных вышеупомянутых проблем.

В частности, настоящее изобретение позволяет реализовать идеальный механический резонатор, отвечающий вышеупомянутым условиям, и одновременно:

- ограничить размер и число элементов этого устройства, чтобы избежать резонанса между ненужными частями, который может даже создавать возмущение для искомой вибрации системы;

- предусматривать соединения между этими элементами без риска ослабления возбуждения и нежелательных деформаций на уровне кристалла;

- использовать архитектуру резонатора, обеспечивающую максимально возможную изоляцию относительно внешней опоры, например, с применением принципа диапазона, согласно которому вибрацию части резонатора (кристалла) динамически уравновешивают вибрацией другой, идеально симметричной части (противовес), получая, таким образом, почти нулевую результирующую вибрации в точке соединения, выбранной в качестве точки крепления, изолированной от внешней опоры.

Таким образом, в соответствии с одним аспектом изобретения предлагается гиролазер, содержащий твердый цилиндрический усилительный стержень, содержащий ось вращения. Гиролазер также содержит:

- кольцевой пьезоэлектрический элемент возбуждения упомянутого твердого усилительного элемента на предопределенной частоте f по упомянутой оси вращения, при этом упомянутый кольцевой пьезоэлектрический элемент неподвижно установлен на одной из двух крайних прямых секций твердого цилиндрического усилительного стержня таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня; и

- кольцевой динамический противовес неподвижно установлен на свободной крайней прямой секции упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня;

при этом размеры упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня определены таким образом, чтобы его можно было рассматривать как недеформирующийся на упомянутой частоте возбуждения f.

Согласно указанным выше принципам, такой гиролазер позволяет получать возбуждение твердого кристаллического стержня на предусмотренных частоте и амплитуде для искомых вариантов применения и одновременно обеспечивает минимум возмущений геометрического порядка или размерных изменений кристалла, которые могут помешать нормальной работе гиролазера.

Согласно варианту выполнения, внутренний диаметр упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента и внутренний диаметр упомянутого кольцевого динамического противовеса больше порога.

Таким образом, падающий лазерный пучок не встречает препятствий или ограничений, так как этот порог превышает диаметр лазерного пучка.

В варианте выполнения внутренний диаметр упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента и внутренний диаметр упомянутого кольцевого динамического противовеса равны.

Таким образом, все свободное пространство вокруг прохода пучка оказывается оптимизированным, чтобы обеспечивать компактность и жесткость составных элементов резонатора, так же как и способ их соединения.

Согласно варианту выполнения, твердый усилительный элемент содержит любую комбинацию следующих твердых усилительных сред: кристалл Nd:YAG, Nd:KGW, Nd:YVO4, Yb:GdCOB и Nd,Cr:GSGG.

В заявленном гиролазере упомянутая частота f может составлять от 100 до 250 кГц.

В варианте выполнения упомянутые неподвижные монтажи представляют собой жесткие клеевые соединения с модулем Юнга порядка ГПа и с небольшой толщиной менее 0,02 мм.

Использование жестких клеевых соединений представляет то преимущество, что позволяет уменьшить напряжения и деформации кристаллического стержня во время его соединения с другими элементами и получить надежную и эффективную границу раздела при передаче вибрационных волн с небольшим ослаблением возбуждения в толщине клеевого соединения.

Согласно варианту выполнения, упомянутый кольцевой пьезоэлектрический элемент содержит два поверхностных электрода в виде центральных венцов, расположенных на крайних прямых секциях упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента.

Поверхностные электроды, управляемые по электрическому напряжению, позволяют управлять вибрациями твердого цилиндрического усилительного стержня.

В варианте выполнения гиролазер содержит средства подвески, выполненные с возможностью крепления и разъединения вибрационной связи твердого цилиндрического усилительного стержня с внешней системой или опорой, на которой он установлен, при этом упомянутые средства подвески содержат наружный венец упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента.

Таким образом, внешнее кольцевое сечение кольцевого пьезоэлектрического элемента выполняет роль подвески, обеспечивающей крепление и разъединение вибрационной связи твердого цилиндрического усилительного стержня относительно системы, на которой установлен гиролазер, или опоры, такой как внешний корпус гиролазера.

Согласно варианту выполнения, упомянутые средства подвески содержат, кроме того, мягкий клей с модулем Юнга порядка МПа.

Использование такого мягкого клея тоже способствует разъединению вибрационной связи твердого цилиндрического усилительного стержня относительно системы, на которой установлен гиролазер, или опоры, такой как внешний корпус гиролазера.

Система измерения от одной до трех угловых скоростей или измерения от одного до трех относительных угловых положений по соответствующим осям, отличающаяся тем, что содержит от одного до трех гиролазеров по одному из предыдущих пунктов, соответственно ориентированных по упомянутым соответствующим осям и установленных на общей механической конструкции.

Такая многоосная система измерения позволяет объединить все под-узлы, такие как зеркала, или вспомогательные средства, такие как устройства активации, в компактном и однородном узле, обеспечивающем соответствующие габариты, вес и эффективность.

Способ возбуждения твердого цилиндрического усилительного стержня гиролазера, содержащего ось вращения, отличающийся тем, что упомянутый твердый усилительный элемент возбуждают на предопределенной частоте f при помощи кольцевого пьезоэлектрического элемента, неподвижно установленного на одной из двух крайних прямых секций твердого цилиндрического усилительного стержня таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня, и индуцируемый дисбаланс уравновешивают при помощи кольцевого динамического противовеса, неподвижно установленного на свободной крайней прямой секции упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента, таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня.

Настоящее изобретение будет более понятно из нижеследующего описания нескольких вариантов выполнения, представленных в качестве не ограничительных примеров, со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг.1 - структурная схема в разрезе варианта выполнения гиролазера в соответствии с одним аспектом изобретения.

Фиг.2 - структурная схема внешний вида гиролазера, показанного на фиг.1, в соответствии с одним аспектом изобретения.

На различных фигурах одинаковые элементы обозначены одинаковыми позициями.

На фиг.1 в разрезе показан гиролазер с осью симметрии вращения ASR.

Гиролазер содержит твердый цилиндрический усилительный стержень, такой как кристалл Nd:YAG, обозначенный SA. В варианте, твердотельный усилительный элемент может представлять собой любую комбинацию твердых усилительных сред Nd:KGW, Nd:YVO4, Yb:GdCOB и Nd,Cr:GSGG.

Кольцевой пьезоэлектрический элемент РЕ, управляемый двумя кольцевыми электродами ELT1 ELT2, позволяет приводить в состояние вибрации твердый усилительный элемент в виде цилиндрического стержня SA на предопределенной частоте f вдоль оси ASR. Геометрию твердого цилиндрического усилительного стержня SA и, в частности, его размеры определяют таким образом, чтобы на частоте вибрации F его можно было рассматривать как недеформирующееся твердое тело. Кольцевой пьезоэлектрический элемент РЕ неподвижно устанавливают при помощи жесткого клеевого соединения на крайней кольцевой секции твердого цилиндрического усилительного стержня SA. С функциональной точки зрения геометрию твердого цилиндрического усилительного стержня SA и, в частности, его размеры определяют таким образом, чтобы на частоте вибрации F его можно было рассматривать как недеформирующееся твердое тело. Как правило, жесткое клеевое соединение имеет толщину примерно менее 0,02 мм и модуль Юнга порядка ГПа.

В варианте это приведение в состояние вибрации на частоте, которая может достигать 250 кГц, можно осуществлять при помощи теплового, механического, магнитного возбуждения или при помощи любой комбинации этих возбуждений.

Гиролазер содержит динамический противовес или противовес CBD, неподвижно установленный при помощи жесткого клеевого соединения толщиной примерно менее 0,02 мм и с модулем Юнга порядка ГПа на свободной крайней прямой секции кольцевого пьезоэлектрического элемента РЕ таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с осью вращения ASR твердого цилиндрического усилительного стержня SA.

Таким образом получают активную упругую зону, образованную центральной частью кольцевого пьезоэлектрического элемента РЕ, и неактивную упругую зону, образованную периферической частью кольцевого пьезоэлектрического элемента РЕ.

Центральную часть возбуждают электрически в осевом направлении для получения необходимого колебания твердого цилиндрического усилительного стержня SA, но создавая при этом эффект в радиальном направлении, так как кольцевой пьезоэлектрический элемент РЕ деформируется также в радиальном направлении. Вместе с тем, неактивная наружная часть кольцевого пьезоэлектрического элемента РЕ позволяет фильтровать основную часть вибраций, которые передаются на внешнюю систему или на опору, на которой она установлена.

Таким образом, получают разъединение вибрационной связи, которое можно улучшить, например, за счет мягкого клеевого соединения с модулем Юнга порядка МПа.

Противовес CBD позволяет уравновесить осевую вибрацию твердого цилиндрического усилительного стержня SA. Этот динамический противовес CBD, в свою очередь, приводится в состояние вибрации в направлении, противоположном вибрации твердого цилиндрического усилительного стержня SA. Таким образом, получают по существу нулевую результирующую осевой вибрации на уровне промежуточного пьезоэлектрического элемента РЕ, который служит точкой крепления узла, что обеспечивает отличное динамическое разъединение относительно внешней опоры.

Например, можно получать вибрации на частоте f, превышающей 250 кГц при высоте твердого цилиндрического усилительного стержня примерно 3 мм и с диаметром примерно 3 мм. При этом наружный диаметр DEpe кольцевого пьезоэлектрического элемента РЕ составляет примерно 10 мм, а внутренний диаметр DI, общий для кольцевого пьезоэлектрического элемента РЕ и для динамического противовеса CBD составляет примерно 3 мм.

Настоящее изобретение позволяет получить гиролазер, содержащий твердый усилительный элемент с поступательным вибрационным движением на высокой частоте, которая может достигать 250 кГц.

Изобретение относится к лазерной гирометрии. Гиролазер содержит твердый цилиндрический усилительный стержень (SA), содержащий ось вращения (ASR) и кольцевой пьезоэлектрический элемент (PE) возбуждения упомянутого усилительного элемента на предопределенной частоте f вдоль упомянутой оси вращения (ASR). При этом пьезоэлектрический элемент (PE) неподвижно установлен на одной из двух крайних секций усилительного стержня (SA) таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения (ASR) усилительного стержня (SA). При этом на свободной крайней секции пьезоэлектрического элемента (PE) неподвижно установлен кольцевой динамический противовес (CBD), таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения (ASR) усилительного стержня (SA). Размеры усилительного стержня (SA) определены таким образом, чтобы его можно было рассматривать как недеформирующийся на частоте возбуждения f. Технический результат заключается в обеспечении возможности получения высокой частоты механического возбуждения без ухудшения геометрических характеристик усилительного стержня. 3 н. и 8 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Гиролазер, содержащий твердый цилиндрический усилительный стержень (SA), содержащий ось вращения (ASR), отличающийся тем, что содержит:
кольцевой пьезоэлектрический элемент (PE) возбуждения упомянутого твердого усилительного элемента на предопределенной частоте f по упомянутой оси вращения (ASR), при этом упомянутый кольцевой пьезоэлектрический элемент (PE) неподвижно установлен на одной из двух крайних прямых секций твердого цилиндрического усилительного стержня (SA) таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения (ASR) упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня (SA); и
- кольцевой динамический противовес (CBD) неподвижно установлен на свободной крайней прямой секции упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента (PE) таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения (ASR) упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня (SA);
при этом размеры упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня (SA) определены таким образом, чтобы его можно было рассматривать как недеформирующийся на упомянутой частоте возбуждения f.

2. Гиролазер по п.1, в котором внутренний диаметр (DI) упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента (PE) и внутренний диаметр (DI) упомянутого кольцевого динамического противовеса (CBD) больше порога.

3. Гиролазер по п.2, в котором внутренний диаметр (DI) упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента и внутренний диаметр (DI) упомянутого кольцевого динамического противовеса равны.

4. Гиролазер по п.1, в котором твердый усилительный элемент (SA) содержит любую комбинацию следующих твердых усилительных сред: кристалл Nd:YAG, Nd:KGW, Nd:YVO₄, Yb:GdCOB и Nd, Cr:GSGG.

5. Гиролазер по п.1, в котором упомянутая частота f может составлять от 100 до 250 кГц.

6. Гиролазер по п.1, в котором упомянутые неподвижные монтажи представляют собой жесткие клеевые соединения с модулем Юнга порядка ГПа и с небольшой толщиной менее 0,02 мм.

7. Гиролазер по п.1, в котором упомянутый кольцевой пьезоэлектрический элемент (PE) содержит два поверхностных электрода (ELT1, ELT2) в виде центральных венцов, расположенных на крайних прямых секциях упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента (РЕ).

8. Гиролазер по одному из предыдущих пунктов, содержащий средства подвески, выполненные с возможностью крепления и разъединения вибрационной связи твердого цилиндрического усилительного стержня (SA) с внешней системой или опорой, на которой он установлен, при этом упомянутые средства подвески содержат наружный венец упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента (PE).

9. Гиролазер по п.8, в котором упомянутые средства подвески дополнительно содержат мягкий клей с модулем Юнга порядка МПа.

10. Система измерения от одной до трех угловых скоростей или измерения от одного до трех относительных угловых положений по соответствующим осям, отличающаяся тем, что содержит от одного до трех гиролазеров по одному из предыдущих пунктов, соответственно ориентированных по упомянутым соответствующим осям и установленных на общей механической конструкции.

11. Способ возбуждения твердого цилиндрического усилительного стержня (SA) гиролазера, содержащего ось вращения (ASR), отличающийся тем, что упомянутый твердый усилительный элемент (SA) возбуждают на предопределенной частоте f при помощи кольцевого пьезоэлектрического элемента (PE), неподвижно установленного на одной из двух крайних прямых секций твердого цилиндрического усилительного стержня (SA) таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения (ASR) упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня (SA), и индуцируемый дисбаланс уравновешивают при помощи кольцевого динамического противовеса (CBD), неподвижно установленного на свободной крайней прямой секции упомянутого кольцевого пьезоэлектрического элемента (PE) таким образом, чтобы его ось вращения совпадала с упомянутой осью вращения (ASR) упомянутого твердого цилиндрического усилительного стержня (SA).