Оптический смеситель излучения с применением призм из оптически активных материалов Российский патент 2019 года по МПК G01B9/02 G01C19/64 G02B27/28 

Изобретение относится к оптическим элементам, являющимся неотъемлемой частью лазерных гироскопов, применяемых в навигационной технике, и предназначено для получения сигналов вращения четырехчастотного лазерного гироскопа, планируемого к размещению в высокоточных инерциальных и интегрированных навигационных системах.

Перспективным для современных лазерных гироскопов является переход к четырехчастотному режиму работы, который позволит существенно повысить точность за счет компенсации магнитной составляющей ошибки измерений. Четырехчастотный лазерный гироскоп требует специальной системы детектирования и обработки сигнала, в частности необходима разработка нового оптического смесителя, позволяющего одновременно получать сигналы интерференции двух пар выходных лучей различной поляризации.

Известен оптический смеситель для лазерного гироскопа [1], решающий задачу получения интерференционной картины лучей, распространяющихся в резонаторе лазерного гироскопа во встречных направлениях. Применение данного оптического смесителя для четырехчастотного режима работы лазерного гироскопа невозможно, так как конструкция оптического смесителя не подразумевает разведения по углу и координате пар лучей различных круговых поляризаций для дальнейшего независимого детектирования их интерференционных картин.

Известны оптические смесители для четырехчастотного лазерного гироскопа [2], [3], решающие задачу одновременного получения разведенных интерференционных картин пар лучей различных круговых поляризаций. Использование данных оптических смесителей приводит к следующей проблеме.

Максимизация чувствительности четырехчастотного лазерного гироскопа с непланарным резонатором достигается выбором угла излома резонатора, обеспечивающего максимум соотношения эффективной площади резонатора к периметру. Данная конфигурация резонатора лазерного гироскопа ведет к существенному различию пропускания р- и s-компонент излучения выходным интерференционным зеркалом, что нарушает круговую поляризацию выводимого излучения, и, как следствие, приводит к неортогональности линейных поляризаций, получаемых пропусканием различных круговых поляризаций через четвертьволновую фазовую пластину. Данный эффект имеет следствием частичную потерю полезного сигнала при отсечении поляризатором одной из линейных поляризаций перед фотоприемным устройством, регистрирующим другую линейную поляризацию. Соотношение сигнал/шум уменьшается, что негативно сказывается на точностных характеристиках лазерного гироскопа.

Задачей настоящего изобретения является создание лишенного указанных недостатков оптического смесителя излучения с применением призм из оптически активного материала, имеющего различные показатели преломления для излучения с левой и правой круговыми поляризациями, обеспечивающего одновременное получение интерференционной картины встречных лучей левой круговой поляризации (ЛКП) и интерференционной картины встречных лучей правой круговой поляризации (ПКП), причем под встречными подразумеваются лучи, распространявшиеся во встречных направлениях (CW - по часовой стрелке, CCW - против часовой стрелки) в резонаторе четырехчастотного лазерного гироскопа.

Технический результат достигается тем, что оптический смеситель лучей, распространяющихся во встречных направлениях в резонаторе четырехчастотного лазерного гироскопа, предназначенный для одновременного детектирования интерференционных картин, независимо полученных для ЛКП и ПКП излучения, включает сводящий встречные лучи элемент, два направляющих глухих зеркала и один либо два анизотропных элемента, состоящих из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, обеспечивающих разведение по углу и координате ЛКП и ПКП лучей, что достаточно для получения разнесенных в пространстве интерференционных картин для ЛКП и ПКП излучения.

В предпочтительном варианте исполнения оптический смеситель лучей содержит один анизотропный элемент, состоящий из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, при этом в качестве сводящего встречные лучи элемента использована треугольная призма, а на отражающие поверхности глухих зеркал нанесены полуволновые фазовые пластины.

В другом варианте оптический смеситель лучей содержит два анизотропных элемента, состоящих из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, а в качестве сводящего встречные лучи элемента использовано полупрозрачное делительное зеркало.

Предлагаемый оптический смеситель излучения с применением призм из оптически активных материалов (ОСИППОАМ) работает следующим образом.

Исходными сигналами для формирования выходных сигналов ОСИППОАМ являются лучи выходного излучения четырехчастотного лазерного гироскопа. Через выходное интерференционное зеркало четырехчастотного лазерного гироскопа в ОСИППОАМ поступают две пары лучей: ЛКП CW луч и ПКП CW луч; ЛКП CCW луч и ПКП CCW луч.

Используемые в составе ОСИППОАМ кристаллы из оптически активных материалов при пропускании излучения вдоль оптической оси имеют разные показатели преломления для ЛКП и ПКП излучения. В левом кристалле показатель преломления для ЛКП излучения меньше показателя преломления для ПКП излучения. В правом кристалле показатель преломления для ПКП излучения меньше показателя преломления для ЛКП излучения. На границе раздела левого и правого кристаллов излучение с ЛКП и ПКП имеют различный относительный показатель преломления, что приводит к разделению дальнейших оптических путей ЛКП и ПКП излучения.

Считывание сигналов от ЛКП и ПКП четырехчастотного лазерного гироскопа происходит на разных фотоприемных устройствах независимо и одновременно. Последующая математическая обработка сигналов позволяет обнулить магнитную составляющую ошибки четырехчастотного лазерного гироскопа.

Таким образом, применение ОСИППОАМ в составе четырехчастотного лазерного гироскопа позволит без потерь в соотношении сигнал/шум одновременно получать сигнал вращения от излучения различных круговых поляризаций, что позволит повысить точность лазерного гироскопа, а также создаваемых на его основе инерциальных навигационных систем нового поколения, благодаря компенсации влияния магнитных полей.

Изобретение поясняется чертежами, где на фиг. 1 и фиг. 2 приведены схемы предлагаемого оптического смесителя излучения соответственно с одним и двумя анизотропными элементами, состоящими из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала.

В соответствии с фиг. 1 оптический смеситель содержит один анизотропный элемент, состоящий из двух призм 1 из левого и призмы 2 из правого оптически активных кристаллов, приводящих к разделению оптических путей лучей разных круговых поляризаций; сводящий встречные лучи элемент 3, в качестве которого использована треугольная призма, и два направляющих глухих зеркала 4, обеспечивающих многократных проход излучения через призмы 1, 2, при этом на отражающие поверхности глухих зеркал 4 нанесены полуволновые фазовые пластины 5, компенсирующие изменение направления вращения вектора напряженности электрического поля в излучении с круговой поляризацией при отражении от глухих зеркал 4. Интенсивность излучения интерференционной картины регистрируют при помощи фотоприемных устройств 6, каждое из которых снабжено двумя фотодиодами.

На фиг. 2 изображена схема оптического смесителя, содержащего два анизотропных элемента, состоящих из двух призм 1 из левого и призмы 2 из правого оптически активных кристаллов, приводящих к разделению оптических путей лучей разных круговых поляризаций; сводящий встречные лучи элемент 3, в качестве которого использовано полупрозрачное делительное зеркало, пропускающее около 50% излучения одной поляризации и отражающее в том же направлении около 50% излучения другой поляризации; два направляющих глухих зеркала 4 с коэффициентами отражения, близкими к 100%.

Из анизотропного элемента, состоящего из двух призм 1 из левого и призмы 2 из правого оптически активных кристаллов, выходят разведенные по углу и координате ЛКП и ПКП лучи.

В схеме предлагаемого оптического смесителя излучения с одним анизотропным элементом, состоящим из двух призм 1 из левого и призмы 2 из правого оптически активных кристаллов, в соответствии с фиг. 1 сведение CW и CCW лучей обеспечивает сводящий встречные лучи элемент 3, в качестве которого использована треугольная призма. Разведение ЛКП и ПКП лучей усиливается многократным проходом через анизотропный элемент, при этом при повторных проходах излучение сохраняет направление вращения вектора напряженности электрического поля (ПКП остается ПКП, ЛКП остается ЛКП), так как на направляющие глухие зеркала 4 нанесены компенсирующие полуволновые фазовые пластины 5.

После многократного прохождения анизотропного элемента излучение поступает на фотоприемные устройства 6, где происходит детектирование смещений интерференционных картин.

Расчет угла разведения ЛКП и ПКП лучей анизотропным элементом из кристалла кварца дает значение 1°0'46'' для конфигурации: длина основания призмы 2-8 мм, высота призмы 2 - 1 мм, угол при вершине призмы 2 - 152°, число проходов через анизотропный элемент - 17.

В схеме предлагаемого оптического смесителя излучения с двумя анизотропными элементами, состоящими из двух призм 1 из левого и призмы 2 из правого оптически активных кристаллов, в соответствии с фиг. 2 излучение направляется с разных сторон на сводящий встречные лучи элемент 3, в качестве которого использовано полупрозрачное делительное зеркало, причем ЛКП и ПКП лучи сводятся на делительном зеркале в разных точках, так как были разведены по углу и координате анизотропным элементом. Делительное зеркало обеспечивает пропускание и отражение излучения приблизительно в равной степени, таким образом, в обоих направлениях от делительного зеркала распространяются пара ЛГП лучей и пара ПКП лучей. В составе каждой пары один CW луч и один CCW луч.

Слева от делительного зеркала ЛКП излучение поступает на фотоприемное устройство 6, регистрирующее смещение интерференционной картины. Справа от делительного зеркала ПКП излучение поступает на фотоприемное устройство 6, регистрирующее смещение интерференционной картины.

Расчет угла разведения ЛКП и ПКП лучей анизотропным элементом из кристалла сульфида ртути (киноварь, HgS) дает значение 1°0'40'' для конфигурации: длина основания призмы 2-8 мм, высота призмы 2-1 мм, угол при вершине призмы 2 - 152°.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Патент РФ №2617130, «Оптический интерференционный смеситель лазерного гироскопа».

2. Unites States Patent 4,141,651, Laser gyroscope output optics structure, 27.02.1979.

3. Unites States Patent 5,420,683, Multiosciilator ring laser gyro beam combining optics, 30.05.1995.

Изобретение предназначено для получения сигналов вращения четырехчастотного лазерного гироскопа. Оптический смеситель лучей, распространяющихся во встречных направлениях в резонаторе четырехчастотного лазерного гироскопа, предназначен для одновременного детектирования интерференционных картин, независимо полученных для излучения левой и правой круговых поляризаций. Смеситель включает сводящий встречные лучи элемент, два направляющих глухих зеркала и один или два анизотропных элемента, состоящих из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, обеспечивающих разведение по углу и координате лучей различных круговых поляризаций. Смеситель может содержать один анизотропный элемент, при этом в качестве сводящего встречные лучи элемента может быть использована треугольная призма, а на отражающие поверхности глухих зеркал нанесены полуволновые фазовые пластины. Смеситель может содержать два анизотропных элемента, а в качестве сводящего встречные лучи элемента может быть использовано полупрозрачное делительное зеркало. Технический результат - повышение точности за счет компенсации влияния магнитных полей. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Оптический смеситель лучей, распространяющихся во встречных направлениях в резонаторе четырехчастотного лазерного гироскопа, предназначенный для одновременного детектирования интерференционных картин, независимо полученных для излучения левой и правой круговых поляризаций, включающий сводящий встречные лучи элемент, два направляющих глухих зеркала и один либо два анизотропных элемента, состоящих из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, обеспечивающих разведение по углу и координате лучей различных круговых поляризаций.

2. Оптический смеситель лучей по п. 1, который содержит один анизотропный элемент, состоящий из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, при этом в качестве сводящего встречные лучи элемента использована треугольная призма, а на отражающие поверхности глухих зеркал нанесены полуволновые фазовые пластины.

3. Оптический смеситель лучей по п. 1, который содержит два анизотропных элемента, состоящих из двух призм из левого и одной призмы из правого кристаллов оптически активного материала, а в качестве сводящего встречные лучи элемента использовано полупрозрачное делительное зеркало.