ГИРОЛАЗЕР С ТВЕРДОТЕЛЬНОЙ УСИЛИТЕЛЬНОЙ СРЕДОЙ И С КОЛЬЦЕВИДНЫМ ОПТИЧЕСКИМ РЕЗОНАТОРОМ Российский патент 2015 года по МПК G01C19/70 

Настоящее изобретение касается гиролазера, содержащего твердотельный усилительный элемент.

Гирометр является датчиком движения, который позволяет измерять скорость вращения системы отсчета датчика относительно инерциальной системы отсчета по одной или нескольким осям.

Лазерный гирометр или гиролазер является лазером в виде двунаправленного кольца, который позволяет измерять угловую скорость (или относительное угловое положение посредством интегрирования во времени). Он содержит оптический резонатор, образованный несколькими зеркалами, собранными на блоке, в котором выполнены пути для реализации оптического резонатора. Усилительную среду вводят в оптический путь резонатора, и система возбуждения должна сообщать ей необходимую энергию, позволяющую получать лазерное усиление. Элементы, образующие лазерный резонатор, выбирают таким образом, чтобы обеспечивать двунаправленную работу: лазерный резонатор должен поддерживать одновременно две волны, которые распространяются в противоположных направлениях (так называемые волны противоположного вращения).

Как правило, гиролазеры применяют для измерения скоростей вращения или угловых положений. В частности, этот тип устройства используется для авиационных применений.

Принцип работы гиролазера основан на эффекте Саньяка в кольцевидном лазерном резонаторе, который приводят во вращение. Когда резонатор является неподвижным, обе волны противоположного вращения имеют одну оптическую частоту. При вращательном движении в плоскости оптического резонатора эффект Саньяка создает разность частоты Ω между двумя оптическими волнами противоположного вращения. Из резонатора выделяют часть энергии каждой волны. Устройство рекомбинации осуществляет интерференцию двух выделенных пучков для образования интерференционных полос, которые наблюдают при помощи одного или нескольких фотодатчиков. В идеальном лазерном гирометре частота полос перед фотодатчиком пропорциональна скорости вращения, сообщаемой резонатору, и направление их прохождения зависит от направления вращения.

В своем большинстве лазерные гирометры или гиролазеры используют газовую усилительную среду, которая обычно представляет собой смесь гелия и неона. В этом случае, как правило, возбуждение газовой усилительной среды осуществляют путем создания плазмы в газе, например, за счет генерирования разряда между двумя электродами, которые механически неподвижно соединены с резонатором. Однако газовая природа усилительной среды остается источником технических проблем во время выполнения гиролазера, в частности, по причине требования высокой чистоты газов. Кроме того, она является источником старения лазера с учетом чувствительности к герметичности резонатора и приводит к снижению качества некоторых электродов во время работы.

Можно выполнить гиролазер с твердотельной усилительной средой, в котором газовую усилительную среду заменяют твердым элементом, например, используя ионы неодима в матрице иттриево-алюминиевого граната YAG (Yttrium-Aluminium-Grenat), обычно обозначаемого Nd:YAG, при этом можно выполнить твердотельный гиролазер, работающий в области, близкой к инфракрасной. В качестве усилительной среды можно использовать кристаллическую матрицу или стекло, легированное ионами, принадлежащими к классу редкоземельных элементов (эрбий, иттербий и т.д.), а также полупроводниковый материал. Таким образом, можно устранить все проблемы, связанные с газовым состоянием усилительной среды. Общеиспользуемые кристаллические матрицы или стекло являются плохими электропроводниками, и только оптическая накачка может привести к возбуждению усилительной среды. В полезный объем твердой усилительной среды необходимо инжектировать оптический пучок с соответствующей длиной волны для необходимой инверсии населенности атомного перехода, что позволяет получить оптическое усиление. В настоящее время эту накачку можно эффективно осуществлять при помощи лазерного диода или волоконных лазерных диодов.

Как правило, твердотельные гиролазеры применяют для измерения скоростей вращения или угловых положений. В частности, этот тип оборудования применяют для авиационных применений.

Для оптимизации оптической накачки можно осуществлять продольную накачку или, другими словами, инжектировать энергию по оси резонирующего пучка через зеркало лазерного резонатора. В случае необходимости, для стабилизации работы на волнах противоположного вращения можно применять дополнительные внутренние устройства. В этом случае измерение скорости вращения резонатора можно осуществлять путем наблюдения интерференции между двумя резонирующими волнами противоположного вращения.

Продольная конфигурация оптической накачки требует наложения инжектируемого пучка на оптически стабильный пучок в резонаторе с точностью до двадцати микрометров. Обычно такую точность получают за счет неподвижного соединения оптических компонентов инжекции на независимой опоре, оборудованной элементами регулировки положения и наклона. Эта опора не связана в движении с оптическим резонатором.

Чтобы компенсировать ограничения, присущие гиролазерам с усилительной средой в газовом состоянии на низких скоростях вращения, как правило, на скоростях вращения менее нескольких десятых и даже нескольких сотых градуса в секунду, как правило, резонатору непрерывно сообщают колебательное движение вращения путем механической активации на частоте порядка от 100 Гц до 1 кГц. Этот вариант выполнения позволяет гиролазерам с усилительной средой в газовом состоянии правильно работать в зоне, называемой слепой зоной, связанной с рассеянием при отражении на зеркалах. Устройство возбуждения, как правило, состоящее из двух электродов, между которыми большая разность электрического напряжения приводит к ионизации газа, неподвижно соединено с блоком и остается вовлеченным в активацию резонатора.

Лазерный гирометр с твердотельной усилительной средой, например, с матрицей YAG, легированной неодимом, характеризуется тем же ограничением в виде слепой зоны, которая может увеличиться по причине дополнительного объединения волн противоположного вращения в твердотельной усилительной среде, усиление в которой, как правило, происходит с так называемым однородным расширением. Транспонирование такого варианта выполнения, то есть механической активации резонатора на твердотельный гиролазер, создает проблему, так как в данном случае инжекционная оптика находится снаружи резонатора, которому сообщают колебательное движение вращения и который со временем меняет положение усилительной среды относительно пучка накачки, что приводит к модуляциям интенсивности, выдаваемой резонатором, и может привести к серьезному нарушению работы гиролазера.

Настоящее изобретение призвано устранить вышеуказанные проблемы.

В этой связи объектом настоящего изобретения является гиролазер с твердотельной усилительной средой и с кольцевидным резонатором, содержащий узел, охватывающий оптический резонатор и выполненный с возможностью принудительного колебательного движения вращения, а также по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии в твердотельную усилительную среду. Гиролазер с твердотельной усилительной средой содержит узел крепления, выполненный с возможностью неподвижного соединения в поступательном движении и во вращении упомянутого узла, охватывающего оптический резонатор, и упомянутого наружного оптического устройства продольной инжекции энергии.

Таким образом, можно получить гиролазер с твердотельной усилительной средой и с кольцевидным оптическим резонатором, способный производить измерения с более высокой точностью даже на низких скоростях вращения гирометра.

В варианте выполнения:

- упомянутый оптический резонатор содержит несколько возвратных зеркал и по меньшей мере одно частично отражающее зеркало; и

- упомянутый узел крепления выполняют таким образом, чтобы часть, подающая энергию от наружного оптического устройства продольной инжекции энергии, находилась на минимальном расстоянии от соответствующего частично отражающего зеркала, зависящем от оптических и механических воздействий гиролазера, и чтобы наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии не могло претерпеть нарушения регулировки во время упомянутого колебательного движения вращения.

Изобретение позволяет гиролазерам с твердотельным усилительным элементом правильно работать в зоне, называемой слепой зоной, связанной с рассеянием при отражении на зеркалах.

Например, по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии содержит источник энергии, сферическое зеркало, связанное в поступательном движении с упомянутым узлом крепления, и двояковыпуклую собирающую линзу, расположенную между упомянутым источником энергии и упомянутым сферическим зеркалом.

Такой вариант выполнения позволяет свести к минимуму число элементов устройства оптической инжекции.

Например, по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии содержит источник энергии, сферическое зеркало, связанное в поступательном движении с упомянутым узлом крепления, первую плоско-вогнутую или плоско-выпуклую линзу, расположенную между упомянутым источником энергии и упомянутым сферическим зеркалом, и вторую плоско-вогнутую или плоско-выпуклую линзу, расположенную между упомянутым сферическим зеркалом и соответствующим частично отражающим зеркалом.

Применение линз, содержащих плоскую поверхность, которую можно использовать как опорную поверхность при монтаже устройства, позволяет сократить разброс сборочных зазоров и уменьшить амплитуду последующей регулировки по положению точки фокусирования. Применение нескольких линз позволяет также уменьшить геометрические аберрации в точке фокусирования.

В варианте выполнения участок узла крепления, служащий опорой для упомянутого сферического зеркала, имеет наклон по существу под углом 45° относительно падающего пучка энергии и наклон по существу под углом 45° относительно отраженного инжекционного пучка энергии.

Таким образом, можно использовать геометрию устройства инжекции, позволяющую уменьшить его инерцию и облегчить его активацию с резонатором.

Согласно варианту выполнения радиус кривизны упомянутого сферического зеркала составляет примерно от 0,5 м до 4 м.

Таким образом, поступательно перемещая сферическое зеркало на его опорной плоскости, можно регулировать устройство инжекции с необходимой точностью.

В варианте выполнения узел крепления содержит средства крепления сферического зеркала для удержания положения сферического зеркала на узле крепления после регулировки инжекции энергии.

Например, упомянутые средства крепления содержат задний кронштейн или клей.

Таким образом, во время колебательного движения вращения инжекция энергии не претерпевает изменений.

В варианте выполнения гиролазер содержит два наружных оптических устройства продольной инжекции энергии, расположенных по существу симметрично относительно твердотельной усилительной среды.

Такой вариант выполнения позволяет гомогенизировать усиление в усилительной среде и уменьшить источники ложных нулей, которые могут появляться по причине асимметрии активного объема в усилительной среде.

Изобретение будет более очевидно из описания нескольких вариантов выполнения, представленных в качестве неограничительных примеров и проиллюстрированных прилагаемыми чертежами, на которых:

Фиг.1 - структурная схема гиролазера согласно варианту изобретения;

Фиг.2 - структурная схема гиролазера согласно другому варианту изобретения;

Фиг.3 - структурная схема наружного оптического устройства продольной инжекции энергии гиролазера, показанного на фиг.1 или 2;

Фиг.4 - структурная схема другого наружного оптического устройства продольной инжекции энергии гиролазера, показанного на фиг.1 или 2.

На различных фигурах идентичные элементы обозначены одинаковыми позициями.

Как показано на фиг.1, гиролазер GL с твердотельной усилительной средой MAES и с кольцевидным оптическим резонатором СОА содержит узел ЕЕ, охватывающий оптический резонатор СОА и выполненный с возможностью принудительного колебательного движения вращения. Устройство, сообщающее узлу ЕЕ колебательное движение вращения, не показано. Классически это устройство, сообщающее узлу ЕЕ колебательное движение вращения, создает за счет механической активации колебание с частотой от 100 Гц до 1 кГц при максимальной угловой скорости, которая может достигать ста и даже нескольких сот градусов в секунду.

Кроме того, гиролазер GL содержит по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии DEOILE в твердотельную усилительную среду MAES. Гиролазер GL содержит также узел крепления EF, выполненный с возможностью неподвижного соединения в поступательном движении и во вращении узла ЕЕ, охватывающего оптический резонатор СОА, и наружного оптического устройства продольной инжекции энергии.

Кольцевидный оптический резонатор СОА содержит несколько возвратных зеркал MR, в данном случае три, и частично отражающее зеркало MPR или дихроическое зеркало, одновременно позволяющее отражать лазерные волны, генерируемые в оптическом резонаторе, и по меньшей мере частично пропускать продольную инжекцию наружной энергии с другой длиной волны в направлении твердотельной усилительной среды MAES.

Узел крепления EF выполняют таким образом, чтобы часть, подающая энергию от наружного оптического устройства продольной инжекции энергии DEOILE, находилась на минимальном расстоянии от частично отражающего зеркала MPR, зависящем от оптических и механических воздействий гиролазера, и чтобы наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии DEOILE не могло претерпеть нарушения регулировки во время упомянутого колебательного движения вращения.

Как показано в варианте на фиг.2, гиролазер, аналогичный показанному на фиг.1, содержит два наружных оптических устройства продольной инжекции энергии DEOILE, расположенных по существу симметрично относительно твердотельной усилительной среды MAES. Каждое наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии DEOILE соединено непосредственно при помощи соответствующего узла крепления EF, выполненного с возможностью неподвижного соединения в поступательном движении и во вращении узла ЕЕ, охватывающего оптический резонатор СОА, и соответствующего наружного оптического устройства продольной инжекции энергии DEOILE.

На фиг.3 и 4 схематично показаны два варианта выполнения наружного оптического устройства продольной инжекции энергии DEOILE, показанного на фиг.1 или 2.

На фиг.3 показан первый вариант выполнения наружного оптического устройства продольной инжекции энергии DEOILE, которое содержит источник S энергии, сферическое зеркало MS, связанное в поступательном движении с узлом крепления EF, и двояковыпуклую собирающую линзу L, расположенную между источником S энергии и сферическим зеркалом MS.

На фиг.4 показан второй вариант выполнения наружного оптического устройства продольной инжекции энергии DEOILE, которое содержит источник S энергии, сферическое зеркало MS, связанное в поступательном движении с узлом крепления EF, первую линзу L1, расположенную между упомянутым источником S энергии и сферическим зеркалом MS, и вторую линзу L2, расположенную между сферическим зеркалом MS и соответствующим частично отражающим зеркалом MPR. Первая и вторая линзы L1 и L2 могут быть плоско-вогнутыми или плоско-выпуклыми, при этом плоскую поверхность можно использовать в качестве опорной поверхности при монтаже устройства, чтобы уменьшить разброс сборочных зазоров и уменьшить амплитуду последующей регулировки по положению точки фокусирования.

Участок узла крепления EF, служащий опорой для сферического зеркала MS, имеет наклон по существу под углом 45° относительно падающего пучка энергии и наклон по существу под углом 45° относительно отраженного инжекционного пучка энергии, что позволяет уменьшить инерцию устройства инжекции по отношению к оси активации резонатора, сохраняя размеры, обеспечивающие хорошее фокусирование с одновременной компенсацией геометрических аберраций, вводимых оптическим устройством. Радиус кривизны сферического зеркала MS составляет примерно от 0,5 м до 4 м.

Узел крепления EF содержит средства крепления сферического зеркала MS для удержания его положения на узле крепления EF после регулировки инжекции энергии. Например, эти средства крепления могут представлять собой задний кронштейн, позволяющий изменять регулировку, или клей, при использовании которого регулировка становится окончательной.

Настоящее изобретение позволяет при меньших затратах получить гиролазер с твердотельной усилительной средой и с кольцевидным оптическим резонатором, который обеспечивает точные измерения даже при низких скоростях вращения гиролазера.

Изобретение относится к гиролазерам. Гиролазер с твердотельной усилительной средой (MAES) и с кольцевидным оптическим резонатором (COA), оснащенным зеркалами, содержит узел (EE), охватывающий оптический резонатор (COA) и выполненный с возможностью принудительного колебательного движения вращения, а также по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии (DEOILE) в твердотельную усилительную среду (MAES). Гиролазер содержит также узел крепления (EF), выполненный с возможностью неподвижного соединения в поступательном движении и во вращении упомянутого узла (EE), охватывающего оптический резонатор, и упомянутого наружного оптического устройства продольной инжекции энергии (DEOILE). Технический результат заключается в обеспечении возможности повышения точности измерения. 8 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Гиролазер с твердотельной усилительной средой (MAES) и с кольцевидным оптическим резонатором (COA), оснащенным зеркалами, содержащий узел (EE), охватывающий оптический резонатор (COA) и выполненный с возможностью принудительного колебательного движения вращения, а также по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии (DEOILE) в твердотельную усилительную среду (MAES), отличающийся тем, что содержит узел крепления (EF), выполненный с возможностью неподвижного соединения в поступательном движении и во вращении упомянутого узла (EE), охватывающего оптический резонатор, и упомянутого наружного оптического устройства продольной инжекции энергии (DEOILE).

2. Гиролазер по п.1, в котором
- упомянутый оптический резонатор (COA) содержит несколько возвратных зеркал (MR) и по меньшей мере одно частично отражающее зеркало (MPR); и
- упомянутый узел крепления (EF) выполняют таким образом, чтобы часть, подающая энергию от наружного оптического устройства продольной инжекции энергии (DEOILE), находилась на минимальном расстоянии от соответствующего частично отражающего зеркала (MPR), зависящем от оптических и механических воздействий гиролазера, и чтобы наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии (DEOILE) не могло претерпеть нарушения регулировки во время упомянутого колебательного движения вращения.

3. Гиролазер по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии (DEOILE) содержит источник (S) энергии, сферическое зеркало (MS), связанное в поступательном движении с упомянутым узлом крепления (EF), и двояковыпуклую собирающую линзу (L), расположенную между упомянутым источником энергии (S) и упомянутым сферическим зеркалом (MS).

4. Гиролазер по п.1 или 2, в котором по меньшей мере одно наружное оптическое устройство продольной инжекции энергии (DEOILE) содержит источник (S) энергии, сферическое зеркало (MS), связанное в поступательном движении с упомянутым узлом крепления (EF), первую плоско-вогнутую или плоско-выпуклую линзу (L1), расположенную между упомянутым источником (S) энергии и упомянутым сферическим зеркалом (MS), и вторую плоско-вогнутую или плоско-выпуклую линзу (L2), расположенную между упомянутым сферическим зеркалом (MS) и соответствующим частично отражающим зеркалом (MPR).

5. Гиролазер по п.3, в котором участок узла крепления (EF), служащий опорой для упомянутого сферического зеркала (MS), имеет наклон по существу под углом 45° относительно падающего пучка энергии и имеет наклон по существу под углом 45° относительно отраженного инжекционного пучка энергии.

6. Гиролазер по п.3, в котором радиус кривизны упомянутого сферического зеркала (MS) составляет примерно от 0,5 м до 4 м.

7. Гиролазер по п.3, в котором узел крепления (EF) содержит средства крепления сферического зеркала (MS) для удержания положения сферического зеркала (MS) на узле крепления (EF) после регулировки инжекции энергии.

8. Гиролазер по п.1, в котором упомянутые средства крепления содержат задний кронштейн или клей.

9. Гиролазер по п.1, содержащий два наружных оптических устройства продольной инжекции энергии (DEOILE), расположенных по существу симметрично относительно твердотельной усилительной среды (MAES).