ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП Российский патент 2018 года по МПК G01C19/66 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем различного типа, в частности, в бесплатформенных инерциальных навигационных системах.

Основным элементов навигационной системы является датчик угловых скоростей (ДУС) объекта, который позволяет измерять угловую скорость объекта в инерциальном пространстве. ДУС, как правило, строятся по гироскопической схеме.

Известные механические системы ДУС в настоящее время активно заменяются лазерными системами, как обладающие большей функциональностью и более высокими параметрами. Такие системы получили название «лазерные гироскопы» [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С. 281]. В лазерном гироскопе носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения. Фактически, это квантовый прибор с кольцевым активным резонатором, в котором излучения распространяются навстречу друг другу и выводятся на интерференционный оптический смеситель, на выходе которого образуется сигнал разностной частоты интерферирующих встречных волн. Данное явление получило специфическое название по имени его открывателя - эффект М. Саньяка.

Кольцевым резонатором является оптическая система, состоящая из трех или более отражателей, в которой траектория лазерного луча замкнута и лазерный луч, пройдя через все оптические элементы, замыкается сам на себя в плоскости резонатора.

В последние годы усилия разработчиков были направлены на создание жесткой, малогабаритной и монолитной конструкции кольцевого резонатора лазерного гироскопа. В современных конструкциях лазерных гироскопов применяют, как правило, треугольные, четырехугольные и волоконно-оптические кольцевые резонаторы.

Известна конструкция лазерного гироскопа, разработанная в военном авиационном инженерном университете (г. Воронеж) [Лазерный гироскоп: пат. 2507482 Российская Федерация, МПК G01C 19/66. [Текст] / Ус Н.А.; заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО «Военный авиационный инженерный университет» (г. Воронеж) (RU). - №2011152926/28; заявл. 23.12.2011; опубл. 20.02.14 Бюл. №5 - 10 с.: ил.].

Аналог конструктивно содержит полупроводниковый лазерный диод в виде источника оптического излучения, расщепитель оптического сигнала от излучателя в виде внешнего оптического резонатора, системы зеркал полного отражения для замыкания оптического излучения в контуре моноблока и полупрозрачного зеркала для отвода части сигнала с целью формирования в оптическом смесителе динамической интерференционной картины. Основанием конструкции служит оптически прозрачный многоугольный моноблок, в котором сформированы открытые оптические каналы. Оптические каналы системой зеркал замыкаются в оптический контур гироскопа. При накачке оптического контура оптического излучения от лазерного диода за счет достижения эффекта Саньяка в оптическом контуре формируется стоячая волна, которая с помощью оптического смесителя преобразуется в динамическую интерференционную картину и считывается фотоприемником на выходе системы.

Достоинствами данной конструкции следует считать следующие признаки:

1. Создана новая оптическая схема моноблочного лазерного гироскопа, накачку которой реализуют полупроводниковым лазерным диодом.

2. Оптический контур гироскопа сформирован открытыми оптическими каналами в любом оптически прозрачном корпусе.

3. Расщепление оптического сигнала лазерного диода достигается за счет конструкции внешнего оптического резонатора, чем обеспечивается развязка источника накачки и оптического контура гироскопа.

К недостаткам данной конструкции следует отнести:

1. Применение внешнего оптического резонатора данной конструкции приводит к существенному изменению начальной фазы выходного оптического сигнала расщепителя за счет многократного переотражения внутри объема резонатора.

2. Преобразователь в виде внешнего резонатора данной конструкции имеет достаточно низкий коэффициент преобразования, что накладывает ограничения на мощность применяемого лазерного диода.

Наиболее близким к заявляемому устройству является моноблочная конструкция лазерного гироскопа, разработанная ОАО «ЭЛАРА» [Лазерный гироскоп: пат. 2582900 Российская Федерация, МПК G01C 19/66. [Текст] / Ус Н.А. и др.; Открытое акционерное общество «Научно-производственный комплекс «ЭЛАРА» имени Г.А. Ильенко (ОАО «ЭЛАРА») (RU). - №2014154547/28; заявл. 31.12.2014; опубл. 27.04.2016 Бюл. №12 - 10 с.: ил.].

Сущность конструктивного решения прототипа раскрывает чертеж на Фиг. 1.

Лазерный гироскоп содержит многоугольный оптический моноблок 1 со сформированными в нем оптическими каналами 2, а также зеркала 3 полного отражения лучистой энергии и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4. Элементы 3 и 4 замыкаются объемными резонаторами 11 в оптический контур моноблока. В качестве источника оптического излучения в конструкцию включен полупроводниковый лазер 5, снабженный термоэлектрическим модулем и содержащего, по крайней мере, одни элемент Пельтье. Для создания двунаправленного режима излучения используется внешний оптический резонатор 6, имеющий форму усеченной призмы. При этом достигается приближение к одномодовому режиму рабочего оптического излучения.

Толщина усеченной призмы равна толщине оптического моноблока 1. Поверхность усеченной призмы покрыта светоотражающим покрытием, в котором выполнены оптически прозрачные отверстия, параллельные основанию усеченной призмы, расположенные симметрично на ее боковых гранях на уровне, совпадающем с уровнем расположения оптических каналов 2 оптического моноблока 1, и реализующие в резонаторе 6 полупроводникового лазера 5 продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным оптическим каналом 2 (выполненным в виде цилиндра) оптического моноблока 1.

Внешний оптический резонатор фиксируется в посадочном месте посредством клея после соответствующей юстировки относительно сопрягаемого оптического канала 2 контура моноблока 1. Полупроводниковый лазер 5 примыкает к основанию резонатора 6 и механически фиксируется крепежными элементами, замыкая, таким образом, кольцевую оптическую схему лазерного гироскопа.

Зеркала 3 полного отражения лучистой энергии примыкают непосредственно к граням шестиугольного оптического моноблока 1 и фиксируются, например, крепежными и прижимными элементами с резиновыми прокладками. Преобразователь, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4, установлен в юстировочном приспособлении и примыкает непосредственно к свободной грани шестиугольного оптического моноблока 1 и фиксируются, например, крепежными элементами.

Общими признаками известных лазерных гироскопов являются: многоугольный оптический моноблок со сформированными сферическими оптическими каналами и резонаторами в зонах их сопряжения, зеркала полного отражения лучистой энергии и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом, которые совместно формируют замкнутую кольцевую оптическую схему моноблока, источник оптического излучения на базе полупроводникового лазера, снабженного термоэлектрическим модулем и содержащего, по крайней мере, один элемент Пельтье, при этом зеркала полного отражения примыкают непосредственно к граням оптического моноблока и фиксируются механически, а полупрозрачное зеркало установлено в юстировочном приспособлении.

Технический результат заявляемого изобретения со стоит в создании моноблочного лазерного гироскопа с пассивным оптическим контуром, что снижает температурную нестабильность устройства, повышает эффективность использования лучистой энергии полупроводникового лазера за счет применения внешнего оптического расщепителя с коэффициентом деления равным 0,5, который дополнительно обеспечивает развязку оптического контура гироскопа с каналом накачки лучистой энергии и, как следствие, обеспечивает более высокостабильную работоспособность устройства.

Заявляемое устройство содержит: многоугольный оптический моноблок со сформированными сферическими оптическими каналами и резонаторами в зонах их сопряжения; зеркала полного отражения лучистой энергии; преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом, которые совместно формируют замкнутую кольцевую оптическую схему моноблока; источник оптического излучения на базе полупроводникового лазера, снабженного термоэлектрическим модулем и содержащего, по крайней мере, один элемент Пельтье; зеркала полного отражения примыкают непосредственно к граням оптического моноблока и фиксируются механически, а полупрозрачное зеркало установлено в юстировочном приспособлении.

При этом источник оптического излучения расположен вне оптического контура моноблока в соответствующем посадочном месте и фиксируется механически; двунаправленный режим его излучения достигается подачей оптического сигнала по специально созданному оптическому каналу источника лазерного излучения на внешний оптический расщепитель в виде треугольной металлической призмы; полированные равные боковые грани треугольной металлической призмы образуют рабочий угол при вершине (89-91) град., а сама призма размещена в соответствующем посадочном месте моноблока и перекрывает своими рабочими гранями (94-96)% диаметра дополнительно созданного оптического канала накачки оптического контура моноблока, который выполнен параллельно одному из оптических каналов моноблока и взаимодействует с зеркалами полного отражения лучистой энергии; в итоге двунаправленный оптический сигнал направлен в апертуру сопрягаемых оптических каналов оптического контура моноблока; резонаторы зон сопряжения кратно увеличены по отношению к своему базовому размеру; источник лазерного излучения, канал источника лазерного излучения и внешний оптический расщепитель находятся на главной оси симметрии лазерного гироскопа.

Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:

- многоугольный оптический моноблок;

- сформированные цилиндрические оптические каналы и резонаторы в зонах их сопряжения, образующие оптический контур гироскопа;

- зеркала полного отражения лучистой энергии, которые примыкают непосредственно к граням оптического моноблока и фиксируются механически;

- преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом и установлен в юстировочном приспособлении;

- полупроводниковый лазер в качестве источника оптического излучения, снабженный термоэлектрическим модулем и содержащий, по крайней мере, один элемент Пельтье.

Отличительными от прототипа являются следующие признаки:

- источник оптического излучения в виде полупроводникового лазера расположен вне оптического контура моноблока в соответствующем посадочном месте и фиксируется механически;

- двунаправленный режим излучения полупроводникового лазера достигается подачей оптического сигнала по специально созданному оптическому каналу источника лазерного излучения на внешний оптический расщепитель в виде треугольной металлической призмы;

- полированные равные боковые грани треугольной металлической призмы покрыты светоотражающим покрытием и образуют рабочий угол при вершине (89-91) град.;

- треугольная металлическая призма размещена в соответствующем посадочном месте моноблока и перекрывает своими рабочими гранями (94-96)% диаметра дополнительно созданного оптического канала накачки оптического контура моноблока;

- канала накачки оптического контура моноблока выполнен параллельно одному из оптических каналов моноблока и взаимодействует с зеркалками полного отражения лучистой энергии;

- двунаправленный оптический сигнал направляется в апертуру сопрягаемых оптических каналов оптического контура моноблока;

- резонаторы зон сопряжения кратно увеличены по отношению к своему базовому размеру;

- источник лазерного излучения, канал источника лазерного излучения и внешний оптический расщепитель находятся на главной оси симметрии лазерного гироскопа.

Сущность конструктивного решения заявляемого устройства раскрывает чертеж на Фиг. 2.

Заявляемая конструкция устройства содержит: 1 - многоугольный оптический моноблок; 2 - цилиндрические каналы; 3 - зеркала полного отражения лучистой энергии; 4 - преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом; 5 - полупроводниковый лазер; 7 - оптический канал источника лазерного излучения; 8 - оптический расщепитель в виде треугольной металлической призмы; 9 - оптический канал накачки оптического контура; 10, 11 - объемные резонаторы оптического контура моноблока.

Многоугольный оптический моноблок 1 изготовлен из оптически прозрачного материала, например, из плавленого кварца или органического стекла, в котором просверлены цилиндрические каналы 2. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены зеркала полного отражения 3 и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4. Требуемая отражательная способность поверхностей зеркал 3 и 4 в диапазоне рабочих частот излучения полупроводникового лазера может достигаться, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало 4 является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала. Поверхность отражающего зеркала 4 выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура моноблока 1.

Внутренние полости блока полируются и соединены с окружающим пространством. Фактически моноблок 1 образует совместно с зеркалами 3 и 4 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 3 примыкают непосредственно к граням оптического моноблока 1 и фиксируются механически. Преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4 установлен в юстировочном приспособлении и также фиксируется к моноблоку 1 механически.

В качестве источника оптического излучения в устройстве использован полупроводниковый лазер 5, снабженный термоэлектрическим модулем и содержащим, по крайней мере, один элемент Пельтье. Двунаправленный режим его излучения достигается подачей оптического сигнала по специально созданному оптическому каналу источника лазерного излучения 7 на внешний оптический расщепитель в виде треугольной металлической призмы 8, полированные равные боковые грани которой покрыты светоотражающим покрытием и образуют рабочий угол при вершине (89-91) град. Сама призма 8 размещена в соответствующем посадочном месте моноблока 1 и перекрывает своими рабочими гранями (94-96)% диаметра дополнительно созданного оптического канала накачки оптического контура моноблока 9, который выполнен параллельно одному из оптических каналов 2 моноблока 1 и взаимодействует с зеркалками полного отражения лучистой энергии 3. Технологически расщепитель может быть зафиксирован в посадочном месте с помощью, например, клея типа ВК-9 или ему подобных.

Сущность конструктивного решения расщепителя лазерного излучения раскрывает чертеж на Фиг. 3. Внешний оптический расщепитель выполнен в виде треугольной металлической призмы 8. В качестве металла может быть использован алюминий или другой материал, обладающий высокой отражательной способностью на рабочей длине волны полупроводникового лазера 5. Полированные боковые грани 12 (рабочие поверхности расщепителя) равны между собой, дополнительно покрыты светоотражающим покрытием и образуют рабочий угол при вершине (89-91) град.

Внешний оптический расщепитель 8 может быть выполнен и в виде треугольной оптически прозрачной призмы, рабочие грани которой также покрыты светоотражающим покрытием. В качестве материала может быть выбрано, например, оптическое стекло. Светоотражающее покрытие может быть создано путем нанесения металлических пленок меди, серебра, золота или применена другая технология.

В итоге, лазерное излучение от источника 5 попадает на границу раздела двух рабочих поверхностей и расщепляется на две составляющие под углом (89-91) град. Это позволяет создать вторичное излучение, которое является узконаправленным и двухсторонним.

Устройство лазерного гироскопа работает следующим образом. При подаче низковольтного питания на лазерный диод 5 последний генерирует оптическое излучение, которое по оптическому каналу источника лазерного излучения 7 поступает на расщепитель лазерного излучения 8. Его конструкция позволяет сформировать узконаправленное и двухстороннее излучение от лазерного диода 5 в оптическом канале накачки оптического контура 9. Данное излучение системой зеркал 3 и 4 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 5, реализуя эффект Саньяка. При отсутствии изменяющейся абсолютной угловой скорости устанавливается система стоячих волн.

Преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4 преобразует стоячую волну в интерференционную картину. Она представляет собой интерференционные полосы, следующие друг за другом с определенной разностью частот, которые в дальнейшем 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 кольцевые моноблочные гироскопы с полупроводниковыми источниками излучения для навигационных систем объектов, которые в процессе выполнения своих функций подвергаются значительным механическим нагрузкам, широкодиапазонным температурным воздействия и другим дестабилизирующих факторов, обладая при этом высокой надежностью и приемлемыми техническими параметрами как датчики угловых скоростей.

Техническое решение, положенное в основу устройства, явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного устройства.

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

Заявленное устройство технически осуществимо и промышленно реализуемо на приборостроительном предприятии. Проведенные испытания подтверждают достижение заявленного технического результата разработанного устройства - моноблочного лазерного гироскопа с пассивным оптическим контуром, что снижает температурную нестабильность устройства, повышает эффективность использования лучистой энергии полупроводникового лазера за счет применения внешнего оптического расщепителя с коэффициентом деления равным 0,5, который дополнительно обеспечивает развязку оптического контура гироскопа с каналом накачки лучистой энергии и, как следствие, обеспечивает более высокостабильную работоспособность устройства.

В связи с изложенным предлагаемое изобретение соответствует уровню патентоспособности и промышленно применимо.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем, в частности бесплатформенных инерциальных навигационных систем. Источник оптического излучения расположен вне оптического контура моноблока в соответствующем посадочном месте и фиксируется механически, а двунаправленный режим его излучения достигается подачей оптического сигнала по специально созданному оптическому каналу источника лазерного излучения на внешний оптический расщепитель в виде треугольной металлической или оптически прозрачной призмы. Полированные равные боковые грани треугольной призмы покрыты светоотражающим покрытием и образуют рабочий угол при вершине 89-91°, а сама призма размещена в соответствующем посадочном месте моноблока и перекрывает своими рабочими гранями 94-96% диаметра дополнительно созданного оптического канала накачки оптического контура моноблока, который выполнен параллельно одному из оптических каналов моноблока и взаимодействует с зеркалками полного отражения лучистой энергии. В итоге двунаправленный оптический сигнал направлен в апертуру сопрягаемых оптических каналов оптического контура моноблока, а резонаторы зон сопряжения кратно увеличены по отношению к своему базовому размеру. При этом источник лазерного излучения, канал источника лазерного излучения и внешний оптический расщепитель находятся на главной оси симметрии лазерного гироскопа. Технический результат – снижение температурной нестабильности устройства, повышение эффективности использования лучистой энергии полупроводникового лазера за счет применения внешнего оптического расщепителя с коэффициентом деления равным 0,5, который дополнительно обеспечивает развязку оптического контура гироскопа с каналом накачки лучистой энергии и, как следствие, обеспечивает более высокостабильную работоспособность устройства. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Лазерный гироскоп, содержащий многоугольный оптический моноблок со сформированными сферическими оптическими каналами и резонаторами в зонах их сопряжения, зеркала полного отражения лучистой энергии и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом, которые совместно формируют замкнутую кольцевую оптическую схему моноблока, источник оптического излучения на базе полупроводникового лазера, снабженного термоэлектрическим модулем и содержащего по крайней мере один элемент Пельтье, при этом зеркала полного отражения примыкают непосредственно к граням оптического моноблока и фиксируются механически, а преобразователь для съема информации, совмещенный с полупрозрачном зеркалом, установлен в юстировочном приспособлении, отличающийся тем, что источник оптического излучения расположен вне оптического контура моноблока в соответствующем посадочном месте и фиксируется механически, двунаправленный режим его излучения достигается подачей оптического сигнала по специально созданному оптическому каналу источника лазерного излучения на внешний оптический расщепитель в виде треугольной металлической призмы, полированные равные боковые грани которой покрыты светоотражающим покрытием и образуют рабочий угол при вершине 89-91°, а сама призма размещена в соответствующем посадочном месте моноблока и перекрывает своими рабочими гранями 94-96% диаметра дополнительно созданного оптического канала накачки оптического контура моноблока, который выполнен параллельно одному из оптических каналов моноблока и взаимодействует с зеркалами полного отражения лучистой энергии так, что двунаправленный оптический сигнал направляется в апертуру сопрягаемых оптических каналов оптического контура моноблока, при этом резонаторы зон сопряжения кратно увеличены по отношению к своему базовому размеру, а источник лазерного излучения, канал источника лазерного излучения и внешний оптический расщепитель находятся на главной оси симметрии лазерного гироскопа.

2. Лазерный гироскоп по п. 1, отличающийся тем, что внешний оптический расщепитель выполнен в виде треугольной оптически прозрачной призмы, рабочие грани которой покрыты светоотражающим покрытием.