ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 2017 года по МПК G01C19/66 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем, в частности, в безинерциальных навигационных системах.

Известно техническое решение моноблочной конструкции лазерного гироскопа [патент РФ на изобретение №2488773, МПК: G01С 19/66, патентообладатель: Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)], в котором двунаправленный режим излучения в оптическом треугольном контуре моноблока от полупроводникового лазерного диода достигается путем использования дополнительного внешнего оптического резонатора в виде полусферы, усеченной симметрично относительно центральной оси симметрии с обеих сторон до толщины оптического моноблока и покрытой светоотражающим металлизированным покрытием. Вдоль ее продольной оси симметрии в светоотражающем слое сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оси симметрии сопрягаемых оптических каналов моноблока, реализующих в резонаторе излучателя продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным оптическим каналом моноблока. Сопряжение источника оптического излучения с моноблоком осуществляется посредством сформированного посадочного места радиусом, совпадающим с радиусом полусферы дополнительного оптического резонатора. При этом сформированный наведенный оптический канал в оптическом резонаторе являлся продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока. Оптическое же излучение полупроводникового лазерного диода поступает через дополнительное оптическое отверстие в покрытии внешнего резонатора, которое находится на оси симметрии в его центре.

Недостаток конструкции аналога состоит в том, что через наведенный оптический канал во внешнем резонаторе в ортогональных направлениях встречаются оптические потоки кольцевой схемы моноблока и излучения лазерного диода. Это может приводить к вторичным эффектам во внешнем оптическом резонаторе и изменению моды в основном оптическом контуре гироскопа, что сказывается на точности интерференционного датчика. Кроме того, полусферическая поверхность линии сопряжения внешнего оптического резонатора и моноблока создают техническую трудность при юстировке наведенного оптического канала внешнего оптического резонатора и оптического контура моноблока.

Наиболее близким к заявляемому устройству является другая моноблочная конструкция лазерного гироскопа [патент РФ на изобретение №2507482, МПК: G01С 19/66, патентообладатель: Федеральное государственное военное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации (RU)].

Лазерный гироскоп содержит треугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения лучистой энергии, полупрозрачное зеркало, призму и источник оптического излучения на основе полупроводникового лазера. Для обеспечения одномодового режима излучения полупроводниковый лазер снабжен дополнительным внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы, которая покрыта светоотражающим металлизированным покрытием. На боковых гранях усеченной призмы, которые образуют угол 40-60 градусов по отношению к основанию, параллельно основанию и симметрично сформированы в светоотражающем покрытии два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оптических каналов моноблока, для создания в резонаторе наведенного продольного оптического канала, по геометрии и положению совпадающего с основным оптическим каналом моноблока. Накачка внешнего оптического резонатора полупроводниковым лазерным диодом осуществляется через дополнительное оптическое отверстие в покрытии внешнего резонатора основания усеченной призмы, которое находится на оси симметрии в его центре. При этом, наличие граней у внешнего оптического резонатора позволяет однозначно сопрягать наведенный оптический канал с физическим оптическим контуром моноблока, что упрощает процедуру юстировки оптического контура моноблока.

Недостаток конструкции прототипа состоит в том, что через наведенный оптический канал во внешнем резонаторе в ортогональных направлениях встречаются оптические потоки кольцевой схемы моноблока и излучения лазерного диода. Это может приводить к вторичным эффектам во внешнем резонаторе и изменению моды в основном оптическом контуре гироскопа, что сказывается на точности интерференционного датчика.

Технический результат заявляемого объекта - обеспечение стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре моноблока гироскопа и повышение точности интерферометрического датчика.

Технический результат достигается тем, что лазерный гироскоп содержит многоугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения лучистой энергии, полупрозрачное зеркало, призму и внешний оптический резонатор для сопряжения полупроводникового лазера с оптическим моноблоком, выполненный из оптически прозрачного материала. Его поверхность покрыта светоотражающим металлизированным покрытием толщиной, достаточной для полного отражения оптического излучения внутри объема, в котором сформированы три оптических окна прозрачности, два из которых образуют горизонтальный наведенный оптический канал с двунаправленной развязкой для замыкания оптического контура моноблока, а третий служит для подачи во внутренний объем резонатора когерентного оптического излучения от полупроводникового лазера.

Обеспечение стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре моноблока гироскопа и, соответственно, повышение точности интерферометрического датчика достигается специальной конструкцией внешнего оптического резонатора. Он выполнен в виде плоскопараллельной объемной фигуры многогранной формы симметричной относительно его главной вертикальной оси, в которой для стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре гироскопа внутри наведенного горизонтального оптического канала оптического резонатора дополнительно создан физический сквозной открытый оптический канал меньшего диаметра. Причем его ось совпадает с осью оптического контура гироскопа, а посадочное место для полупроводникового лазерного диода может быть расположено в любой точке строго на линии его поперечной оси.

За главную вертикальную ось внешнего оптического резонатора принимается ось, которая перпендикулярна оси симметрии сопрягаемого оптического канала моноблока.

Данное конструктивно-технологическое решение внешнего оптического резонатора снижает коэффициент взаимодействия ортогональных оптических потоков в оптическом контуре моноблока и внешнем оптическом резонаторе за счет развязки на границе «внутренний объем резонатора - физический сквозной канал». Уровень качества технологической обработки физического канала позволяет довести коэффициент взаимодействия практически до нуля, чем и достигается итоговый технический результат заявляемого устройства.

Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:

- многоугольный оптический моноблок,

- сформированные в многоугольном оптическом моноблоке оптические каналы,

- зеркала полного отражения лучистой энергии,

- полупрозрачное зеркало;

- призма для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины;

- полупроводниковый лазер в качестве источника оптического излучения;

- внешний оптический резонатор, выполненный из оптически прозрачного материала, для сопряжения полупроводникового лазера с оптическим моноблоком;

- внешний оптический резонатор покрыт светоотражающим металлизированным покрытием толщиной, достаточной для полного отражения оптического излучения внутри замкнутого объема, при этом в покрытии сформированы три оптических окна прозрачности, два из которых образуют горизонтальный наведенный оптический канал с двунаправленной развязкой для замыкания оптического контура моноблока, а третий служит для подачи во внутренний объем резонатора когерентного оптического излучения от полупроводникового лазера;

- для сопряжения источника излучения в оптическом моноблоке сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора излучателя так, что сформированный оптический канал является продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- внешний оптический резонатор выполнен в виде плоскопараллельной объемной фигуры многогранной формы, симметричной относительно его главной вертикальной оси, которая перпендикулярна оси симметрии сопрягаемого оптического канала;

- внутри наведенного горизонтального оптического канала внешнего оптического резонатора дополнительно создан физический сквозной открытый оптический канал меньшего диаметра, ось которого совпадает с осью симметрии сопрягаемого оптического канала оптического контура гироскопа;

- посадочное место для полупроводникового лазера во внешнем оптическом резонаторе располагается в любой точке строго на линии его поперечной оси.

Сущность технического решения, его реализуемость и возможность промышленного применения поясняются чертежами:

Фиг. 1 - вариант сборочного чертежа лазерного гироскопа;

Фиг. 2 - вариант 1 внешнего оптического резонатора;

Фиг. 3 - вариант 2 внешнего оптического резонатора, где: 1 - многоугольный/треугольный оптический моноблок; 2 - цилиндрические каналы; 3, 4 - зеркала с высокой отражательной способностью; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - призма; 7 - внешний оптический резонатор; 8 - полупроводниковый лазер; 9 - наведенный оптический канал в дополнительном оптическом резонаторе; 10 - физический сквозной оптический открытый канал в дополнительном оптическом резонаторе.

Многоугольный/треугольный оптический моноблок 1 (Фиг. 1) изготовлен из оптически прозрачного материала, например, из плавленого кварца или органического стекла марки СО-120-К ГОСТ 10667-90, в котором сформированы цилиндрические каналы 2. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний многоугольник/треугольник, в вершинах которого расположены зеркала 3, 4 и 5. Зеркала 3 и 4 имеют рабочую поверхность с очень высокой отражательной способностью в диапазоне рабочих длин волн, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало 5 является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется частичный вывод лучистой энергии из контура в пределах 5-10% для съема выходного сигнала. Рабочая поверхность отражающего зеркала 3 дополнительно выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура моноблока 1. Все зеркала могут быть изготовлены, например, из оптического стекла марки К8 ГОСТ 3514-94.

Внутренние полости блока полируются и соединены с окружающим пространством. Фактически моноблок 1 образует совместно с зеркалами пассивный кольцевой резонатор. Поскольку внутренние полости не герметичны (они не наполнены активным газом, как это имеет место в газовом лазере), то данное условие снижает технологические требования на герметичную фиксацию зеркал относительно моноблока 1. Полупрозрачное зеркало 5, контактируя с призмой 6, формируют интерференционную картину информационного сигнала гироскопа, которая в дальнейшем поступает на фотоприемное считывающее устройство.

В качестве источника оптического излучения в устройство включен полупроводниковый лазер 8, для обеспечения одномодового режима излучения которого последний снабжен внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы 7 (вариант 1 внешнего оптического резонатора, фиг. 2) с основанием L, высотой Н и толщиной S равной толщине моноблока. Конструктивно внешний оптический резонатор может быть изготовлен, например, из оптического стекла К8 ГОСТ 3514-94. Боковые грани усеченной призмы 7 образованы с углом β, равным 40÷60 градусов. В оптическом резонаторе сформировано посадочное место под полупроводниковый лазерный диод диаметром С относительно его главной оси симметрии О-О'. Вся поверхность P оптического резонатора покрыта светоотражающим металлизированным покрытием толщиной, достаточной для полного отражения оптического излучения внутри замкнутого объема резонатора 7. В ней сформированы три оптических окна прозрачности, два из которых образуют горизонтальный наведенный оптический канал с двунаправленной развязкой для замыкания оптического контура моноблока 1, а третий служит для подачи во внутренний объем резонатора когерентного оптического излучения от полупроводникового лазера 8.

Данный оптический резонатор призван дополнительно скорректировать волновой фронт излучения полупроводникового лазера, поскольку непосредственно полупроводниковый лазер является многомодовой структурой. Сборка изделия может быть осуществлена посредством склеивания основных узлов гироскопа, например, клеем ВК-9 или ВК-53М после операции юстировки.

Сущность конструктивного решения варианта 1 внешнего оптического резонатора раскрывает чертеж на Фиг. 2. Внешний оптический резонатор 7 в конструктивном плане выполнен в виде усеченной призмы. Непосредственно резонатор 7 изготавливается из того же материала, что моноблок 1. Вся поверхность резонатора 7 покрыта светоотражающим металлизированным покрытием P, например, тонкопленочным покрытием из меди (Cu), серебра (Ag) или алюминия (Al). Параллельно основанию резонатора 7 на боковых гранях в светоотражающем металлизированном покрытии Р сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне h, совпадающем с уровнем оптических цилиндрических каналов 2 моноблока 1 (ось А-А'). Это позволяет создать в резонаторе излучателя 7 наведенный продольный/горизонтальный оптический канал диаметром D, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом 2 моноблока 1.

Оптическое излучение полупроводникового лазера 8 поступает во внешний оптический резонатор 7 через специальное третье оптически прозрачное отверстие диаметром C в светоотражающем металлизированном покрытии Р. При этом посадочное место для полупроводникового лазера 8 может располагается в любой точке основания внешнего оптического резонатора 7 строго на линии его поперечной оси F-F'.

В итоге излучение от полупроводникового лазера 8 формируется в виде параллельного пучка вдоль оси А-А' созданного наведенного горизонтального оптического канала, т.е. имеет место почти плоский волновой фронт, а излучение является узконаправленным и двухсторонним.

Для стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре гироскопа внутри наведенного горизонтального оптического канала оптического резонатора 7 диаметра D дополнительно создан физический сквозной открытый оптический канал меньшего диаметра d<D. При этом оси симметрии наведенного и сквозного каналов совпадают.

Сущность конструктивного решения варианта 2 внешнего оптического резонатора раскрывает чертеж на Фиг. 3. В качестве внешнего оптического резонатора 7 может быть использована любая плоскопараллельная объемная фигура многогранной формы. Для его эффективного использования должно быть сформировано соответствующее посадочное место в моноблоке 1.

Плоскопараллельная объемная фигура многогранной формы резонатора 7 изготавливается из того же материала, что моноблок 1. Поверхность резонатора 7 покрыта светоотражающим металлизированным покрытием Р, например, тонкопленочным покрытием из меди (Cu), серебра (Ag) или алюминия (Al). В конструктивном плане резонатор 7 должен быть симметричным относительно его главной вертикальной оси, которая перпендикуляра оси симметрии сопрягаемого оптического канала 2 моноблока 1.

Параллельно основанию резонатора 7 на боковых гранях в светоотражающем металлизированном покрытии Р сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне h, совпадающем с уровнем оптических цилиндрических каналов 2 моноблока 1 (ось А-А'). Это позволяет создать в резонаторе излучателя 7 наведенный продольный/горизонтальный оптический канал диаметром D, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом 2 моноблока 1.

Оптическое излучение полупроводникового лазера 8 поступает во внешний оптический резонатор 7 через специальное третье оптически прозрачное отверстие диаметром C в светоотражающем металлизированном покрытии Р. При этом посадочное место для полупроводникового лазера 8 может располагается в любой точке основания внешнего оптического резонатора 7 строго на линии его поперечной оси F-F'.

В итоге излучение от полупроводникового лазера 8 формируется в виде параллельного пучка вдоль оси А-А' созданного наведенного горизонтального оптического канала, т.е. имеет место почти плоский волновой фронт, а излучение является узконаправленным и двухсторонним.

Для стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре гироскопа внутри наведенного горизонтального оптического канала оптического резонатора 7 диаметра D дополнительно создан физический сквозной открытый оптический канал меньшего диаметра d<D. При этом оси симметрии наведенного и сквозного каналов совпадают.

Независимо от конструктивного варианта внешнего оптического резонатора 7 для сопряжения источника оптического излучения 8 в оптическом моноблоке 1 сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией внешнего оптического резонатора 7 излучателя так, что сформированный наведенный горизонтальный оптический канал является продолжением оптического канала 2 моноблока 1, что позволяет замкнуть кольцевую оптическую схему моноблока 1.

Устройство лазерного гироскопа работает следующим образом. При подаче низковольтного питания на лазерный диод 8 последний генерирует многомодовое излучение. Для нормального функционирования заявляемого устройства целесообразно, чтобы излучение было максимально близко к одномодовому. Дополнительный оптический резонатор 7 фактически является пассивным резонатором Фабри-Перо. Его конструкция позволяет сформировать узконаправленное и двухстороннее излучение от лазерного диода 8 в горизонтальном оптическом канале. Данное излучение системой зеркал 3, 4, 5 юстируется таким образом, чтобы световой луч беспрепятственно двигался по замкнутому конуру, образованному тремя цилиндрическими каналами 2. В итоге, в контуре циркулируют в противоположных направлениях электромагнитные поля излучения лазерного диода 8 и при отсутствии изменяющейся абсолютной угловой скорости устанавливается система стоячих волн. Среднее угловое положение узлов и пучностей этой системы координат не изменяется при вращении контура (моноблока 1) вокруг свой оси, перпендикулярной к его плоскости, что объясняется соответственным излучением частот излучений, распространяющихся в разные стороны.

Однако в наведенном оптическом канале внешнего оптического резонатора 7 происходит взаимодействие излучения лазерного диода 8 и стоячей волны оптического контура моноблока 1. Это может приводить к интермодуляционным искажениям информационного сигнала и появлению случайных ошибок и погрешностей гироскопа. Создание физического сквозного открытого оптического канала внутри наведенного канала внешнего оптического резонатора 7 на физическом уровне разводит эти оптические потоки и снижет уровень интермодуляционных искажений информационного сигнала. Соответствующая юстировка оптического потока в оптическом контуре моноблока 1 сводит их взаимодействие практически к нулю.

Для съема выходного сигнала лазерного датчика угловых скоростей (лазерного гироскопа) полупрозрачное зеркало 5 и призмой 6 встречные лучи выводятся из контура под малым углом друг к другу. Образуемая при этом интерференционная картина, представляющая собой интерференционные полосы, следующие друг за другом с определенной разностью частот, фиксируется фотоприемником, входящим в систему обработки информационного сигнала от лазерного гироскопа. На его выходе получается электрический сигнал переменного тока. Частота этого тока пропорциональна измеряемой абсолютной угловой скорости вращения моноблока 1 вокруг свой оси. Фазовая составляющая частоты выходного сигнала указывает на направление угловой скорости вращения.

Использование заявляемого устройства позволяет создавать лазерные моноблочные гироскопы с полупроводниковыми источниками излучения для навигационных систем объектов, которые в процессе выполнения своих функций подвергаются значительным механическим нагрузкам, широкодиапазонным температурным воздействиям и другим дестабилизирующим факторам, обладая при этом высокой надежностью и приемлемыми техническими параметрами как датчики угловых скоростей.

Техническое решение явным образом не следует из уровня техники. В процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного технического решения.

Заявленное техническое решение имеет существенные отличия от наиболее близких аналогов и удовлетворяет критерию патентоспособности изобретения - «новизна».

Заявляемое изобретение технически осуществимо, промышленно реализуемо на приборостроительном предприятии, проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата - обеспечение стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре гироскопа.

В связи с изложенным материалы заявки на предлагаемое изобретение соответствуют критериям патентоспособности и промышленной применимости.

Лазерный гироскоп содержит многоугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения, полупрозрачное зеркало, призму и внешний оптический резонатор для сопряжения полупроводникового лазера с оптическим моноблоком, выполненный из оптически прозрачного материала. В поверхности внешнего резонатора сформированы три оптических окна прозрачности, два из которых образуют горизонтальный наведенный оптический канал. Внешний оптический резонатор выполнен в виде плоскопараллельной объемной фигуры многогранной формы, в котором внутри наведенного горизонтального оптического канала дополнительно создан физический сквозной открытый оптический канал меньшего диаметра. Технический результат заключается в стабилизации моды оптического излучения в оптическом контуре гироскопа. 3 ил.

Лазерный гироскоп, содержащий многоугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения лучистой энергии, полупрозрачное зеркало, призму и внешний оптический резонатор для сопряжения полупроводникового лазера с оптическим моноблоком, выполненный из оптически прозрачного материала, поверхность которого покрыта светоотражающим металлизированным покрытием толщиной, достаточной для полного отражения оптического излучения внутри замкнутого объема, и в котором содержатся три оптических окна прозрачности, два из которых образуют горизонтальный наведенный оптический канал с двунаправленной развязкой для замыкания оптического контура моноблока, а третий служит для подачи во внутренний объем резонатора когерентного оптического излучения от полупроводникового лазера, отличающийся тем, что внешний оптический резонатор выполнен в виде плоскопараллельной объемной фигуры многогранной формы, симметричной относительно его главной вертикальной оси, в котором внутри наведенного горизонтального оптического канала дополнительно создан физический сквозной открытый оптический канал меньшего диаметра, ось которого совпадает с осью симметрии сопрягаемого оптического канала оптического контура гироскопа, при этом посадочное место для полупроводникового лазера располагается в любой точке основания внешнего оптического резонатора строго на линии его поперечной оси.