СПОСОБ СБОРКИ КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК 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, и может быть использовано, например, в системах навигации.

Известен способ сборки кольцевого резонатора лазерного гироскопа, описанный в патенте US 4884283, 28.11.1989, при котором установка зеркал на корпус резонатора производится с поиском точки на зеркале, в которой величина обратного рассеяния от «спекл» картины на нем минимальна, и при этом обеспечивается прохождение лазерного излучения через центр диафрагмы, для получения минимальной величины потерь в кольцевом оптическом резонаторе.

Недостатком данного способа сборки является то, что для получения объективной информации о величине обратного рассеяния необходимо установить зеркало в кольцевой резонатор и затем путем вращений и линейных перемещений осуществлять поиск оптимального положения данного зеркала, одновременно наблюдая как за «спекл» картиной, так и за местом прохождения лазерного луча через диафрагму. Такой поиск оптимального положения совершенно не учитывает других важных характеристик зеркала, в частности анизотропии его рассеивающих свойств, вызванной наличием на поверхности зеркала остаточных дефектов.

Задача, решаемая изобретением, состоит в устранении вышеназванных недостатков, возникающих при известном способе установки зеркал, при этом технический результат, достигаемый заявленным изобретением, заключается в снижении погрешности измерения угловой скорости с помощью лазерного гироскопа за счет уменьшения порога синхронизации встречных волн в кольцевом лазере, что обусловлено снижением обратного рассеяния лазерного излучения зеркалами.

Заявленный технический результат достигается способом сборки кольцевого резонатора, включающим установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию. Перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно структурированными дефектами, в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине обратного рассеяния. Затем осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора.

Выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине обратного рассеяния, осуществляют по изображениям поверхности, зарегистрированным с помощью атомно-силового, зондового или модуляционного интерференционного микроскопа.

Кольцевой резонатор включает, по меньшей мере, три зеркала.

Все операции осуществляют для каждого зеркала.

Также заявленный технический результат достигается способом сборки кольцевого резонатора, включающий установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию. Перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно-структурированными дефектами в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине полного интегрального рассеяния. Затем осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора.

Выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине полного интегрального рассеяния осуществляют по изображениям поверхности, зарегистрированным с помощью интерферометра белого света или полученным при подсветке поверхности лазерным излучением.

Кольцевой резонатор включает, по меньшей мере, три зеркала.

Все операции осуществляют для каждого зеркала.

Также заявленный технический результат достигается способом сборки кольцевого резонатора, включающий установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию. Перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно-структурированными дефектами в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине рассеяния, которая определяется как композиция полного интегрального и обратного рассеяния. Затем осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора.

Выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине обратного рассеяния, осуществляют по изображениям поверхности, зарегистрированным с помощью атомно-силового, зондового или модуляционного интерференционного микроскопа и интерферометра белого света или полученным при подсветке поверхности лазерным излучением.

Кольцевой резонатор включает, по меньшей мере, три зеркала.

Все операции осуществляют для каждого зеркала.

Фиг. 1 - изображение линейно структурированных дефектов отражающей поверхности зеркала.

Фиг. 2 - зависимость величины интегрального рассеяния TIS от линейно структурированных дефектов при повороте на угол α. Горизонтальная штриховая линия соответствует величине TIS от шероховатого рельефа. Вертикальные штриховые линии показывают диапазон углов, при котором величина TIS минимальна.

Фиг. 3 - зависимость величины обратного рассеяния R от линейно структурированных дефектов при повороте на угол α. Горизонтальная штриховая линия соответствует величине R от шероховатого рельефа. Вертикальные штриховые линии показывают диапазон углов, при котором величина R минимальна.

Очевидно, что указанные эффекты проявляются уже при установке одного из зеркал описанным способом, однако максимальный эффект достигается при осуществлении предложенных операций с каждым зеркалом. В связи с чем, целесообразно описывать реализацию устройства на примере операций для каждого зеркала, предназначенного для сборки кольцевого резонатора лазерного гироскопа.

Заявленное изобретение осуществляют следующим образом.

Сперва проводят измерение рельефа отражающей поверхности на установках, измеряющих рассеянное излучение при подсветке поверхности лазерным излучением, с длиной волны и падающим под углом, характерным для данного типа резонатора или посредством атомно-силового или зондового микроскопа или интерферометра белого света. По полученным трехмерным изображениям отражающей поверхности зеркала определяют его рассеивающие характеристики: интегральное или обратное рассеяние, а также угловую анизотропию этих свойств, вызванную линейно структурированными дефектами отражающей поверхности.

Чтобы оценить рассеивающие свойства оптической поверхности зеркала по зарегистрированному изображению его поверхности необходимо выполнить следующие операции:

1. Вычисление зависимости спектральной плотности флуктуаций высоты от пространственных частот:

FT - результат дискретного Фурье-преобразования изображения рельефа;

- комплексно сопряженный Фурье-образ; z - двумерный массив отсчетов высоты с размерностью N×М; h - шаг сканирования поверхности, р=0,1,…N-1; q=0,1,…,М-1; ƒ_x,p=p/(h⋅N), ƒ_y,q=q/(h⋅M) - составляющие пространственной частоты.

2. Расчет полного интегрального рассеяния TIS и коэффициента обратного рассеяния R:

где λ=0,6328 мкм - длина волны излучения кольцевого гелий-неонового лазера, υ - расходимость излучения, генерируемого кольцевым лазером, β - угол падения лазерного луча на зеркало,ƒ_x, ƒ_y - пространственные частоты:

α - угол между плоскостью падения и направлением заданной оси.

По результатам определения анизотропии рассеивающих свойств зеркала определяют его угловое положение относительно плоскости кольцевого резонатора, соответствующее минимальной величине интегрального или обратного рассеяния или композиции этих рассеяний.

Например, для характеристики интегрального рассеяния, представленной на фиг. 2 минимальной величине TIS соответствует диапазон углов α: от 90 до 115 градусов, а для величины обратного рассеяния существуют два таких диапазона: от 40 до 50 градусов и от 125 до 140 градусов. Как видно из представленных зависимостей, диапазоны углов, соответствующие минимальным величинам интегрального и обратного рассеяния, не совпадают. В том случае, если исходные изображения были зарегистрированы методом, обладающим разрешением по плоскости лучше λcosβ, выбор оптимального углового положения осуществляется по величине обратного рассеяния (4). В случае, если исходные изображения были зарегистрированы методом, обладающим разрешением по плоскости хуже λcosβ, выбор оптимального углового положения осуществляется по величине интегрального рассеяния (3). Вместе с тем два предложенных варианта не являются единственными, так как важен сам принцип установки зеркал по результатам определения их рассеивающих свойств на основе зарегистрированного трехмерного изображения их поверхности и определения минимальной величины рассеяния, которая определяется как композиция обратного и интегрального рассеяния.

В соответствии с выбранным угловым положением, которое определяется либо минимальной величиной интегрального рассеяния, либо минимальной величиной обратного рассеяния, зеркало устанавливается на корпус резонатора, при этом выбранное угловое положение совмещается с плоскостью кольцевого резонатора. Устанавливая таким образом зеркала на корпус резонатора, добиваются линейными перемещениями последнего (сферического) зеркала прохождения лазерного луча через центр диафрагмы, что обеспечивает минимальное значение потерь.

Таким образом, предложенный способ сборки кольцевого резонатора, включая его юстировку, путем установки зеркал на его корпус с определенным угловым положением относительно плоскости распространения лазерного луча позволяет получать информацию об оптимальном угловом положении, в котором величина обратного рассеяния, определяемая остаточными после полировки линейно структурированными дефектами зеркальной поверхности, определяется из измерений его рассеивающих свойств, полученных по трехмерным изображениям поверхности, путем обработки зарегистрированного рельефа методами, описанными, например, в патенте RU 2471146 С1, 27.12.2012. Это позволяет установить зеркало с учетом зависимости (анизотропии) его рассеивающих свойств, вызванных остаточными дефектами полирования и зависящих от угла поворота зеркала относительно его нормальной оси, и соответственно снизить погрешности измерения угловой скорости с помощью лазерного гироскопа за счет уменьшения порога синхронизации встречных волн в кольцевом лазере, достигаемого путем снижения влияния обратного рассеяния.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности, к системам навигации. Предложенные способы сборки кольцевого резонатора включают в себя установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию. Перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно структурированными дефектами в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине рассеяния. В качестве указанной минимальной величины рассеяния может быть выбрана величина обратного рассеяния, полного интегрального рассеяния или композиция полного интегрального и обратного рассеяния. Затем осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора. Это позволяет снизить погрешности измерения угловой скорости. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ сборки кольцевого резонатора, включающий установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию, отличающийся тем, что перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно структурированными дефектами в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине обратного рассеяния, затем осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора.

2. Способ сборки по п. 1, отличающийся тем, что выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине обратного рассеяния, осуществляют по изображениям поверхности, зарегистрированным с помощью атомно-силового, зондового или модуляционного интерференционного микроскопа.

3. Способ сборки по п. 1, отличающийся тем, что кольцевой резонатор выполняют, по меньшей мере, трехзеркальным.

4. Способ сборки по п. 1, отличающийся тем, что все операции осуществляют для каждого зеркала.

5. Способ сборки кольцевого резонатора, включающий установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию, отличающийся тем, что перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют

анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно структурированными дефектами в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине полного интегрального рассеяния, затем осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора.

6. Способ сборки по п. 5, отличающийся тем, что выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине полного интегрального рассеяния, осуществляют по изображениям поверхности, зарегистрированным с помощью интерферометра белого света или полученным при подсветке поверхности лазерным излучением.

7. Способ сборки по п. 5, отличающийся тем, что кольцевой резонатор выполняют, по меньшей мере, трехзеркальным.

8. Способ сборки по п. 5, отличающийся тем, что все операции осуществляют для каждого зеркала.

9. Способ сборки кольцевого резонатора, включающий установку зеркал, сварку электродов, электровакуумную обработку и герметизацию, отличающийся тем, что перед установкой зеркал определяют рассеивающие свойства, по меньшей мере, одного зеркала на основе зарегистрированного трехмерного изображения его поверхности, выделяют анизотропную составляющую рассеяния, вызванную линейно структурированными дефектами в условиях лазерного излучения, падающего на зеркало под углом, характерным для данного типа резонатора, осуществляют выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине рассеяния, которая определяется как композиция полного интегрального и обратного рассеяния, затем

осуществляют установку, по меньшей мере, одного зеркала на кольцевой резонатор таким образом, что угловое положение, соответствующее минимальной величине рассеяния, совмещается с плоскостью кольцевого резонатора.

10. Способ сборки по п. 9, отличающийся тем, что выбор углового положения плоскости падения лазерного луча, соответствующего минимальной величине рассеяния, осуществляют по изображениям поверхности, зарегистрированным с помощью атомно-силового, зондового или модуляционного интерференционного микроскопа и интерферометра белого света или полученным при подсветке поверхности лазерным излучением.

11. Способ сборки по п. 9, отличающийся тем, что кольцевой резонатор выполняют, по меньшей мере, трехзеркальным.

12. Способ сборки по п. 9, отличающийся тем, что все операции осуществляют для каждого зеркала.