СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ДОБРОТНОСТИ ОПТИЧЕСКОГО КОНТУРА КОЛЬЦЕВОГО МОНОБЛОЧНОГО ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА Российский патент 2019 года по МПК G01C19/66 

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании высокоточных датчиков угловых скоростей навигационных систем, в частности, в бесплатформенных инерциальных навигационных системах.

Известно техническое решение лазерного гироскопа, разработанное американской фирмой «Honeywell» [Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы./ Под ред. канд. техн. наук И.А. Горенштейна - Москва: Машиностроение, 1970. - 230 с. - С. 161-164]. Сущность конструктивного решения аналога раскрывает чертеж на Фиг. 1.

Конструктивно система содержит: 1 - моноблочный корпус; 2 - аноды; 3,6 - зеркала с высокой отражательной способностью; 4 - цилиндрические каналы; 5 - катод; 7 - диафрагма; 8 - полупрозрачное зеркало; 9 - призма.

Корпус 1 прибора - монолитный блок из плавленого кварца, в котором сформированы цилиндрические каналы 4. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены зеркала 3, 6 и 8. Зеркала 3 и 6 имеют высокую отражательную способность в диапазоне рабочих длин волн излучения, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало 8 является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала. Поверхность отражающего зеркала 3 выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура.

Недостаток конструкции заключается в потерях лучистой энергии в зонах оптических зеркал 3, 6 и 8 за счет присутствующего эффекта переотражения. При этом технологические отверстия в зонах сопряжения оптических каналов контура моноблока создают дополнительный отрицательный эффект, выполняя функции низкодобротного оптического проходного резонатора с произвольной резонансной частотой в оптическом контуре на рабочей длине волны газового лазера. Это сказывается на качестве интерференционной картины, несущей информацию об угловой скорости объекта. Точность определения угловой скорости подвижного объекта становится затруднительной при малых угловых скоростях объекта из-за шумовой составляющей, формируемой оптическим сигналом в системе.

Наиболее близкий способ к заявляемому способу реализован в моноблочной конструкции лазерного гироскопа, разработанного в ОАО "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко [Лазерный гироскоп: патент РФ №2582900, МПК G01C 19/66 (2006.01); Заявка: 2014154547/28, 31.12.2014]. Сущность конструктивного решения прототипа раскрывает чертеж на Фиг. 2.

Лазерный гироскоп содержит многоугольный оптический моноблок 1 со сформированными в нем цилиндрическими оптическими каналами 4, зеркала полного отражения лучистой энергии 3 и преобразователь для съема информации в виде динамической интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 8. В качестве источника оптического излучения в конструкцию включен полупроводниковый лазерный диод 11, снабженный для обеспечения одномодового режима излучения внешним оптическим резонатором-расщепителем 12, имеющим форму усеченной призмы. Оптические каналы 4 сопрягаются с помощью технологических отверстий 10, которые по своей сущности могут выступать в роли низкодобротных оптически прозрачных резонаторов.

Недостатки конструкции прототипа аналогичны недостаткам аналога. Принципиальным моментом является отсутствие ограничений на конструктивно-технологическое решение технологических цилиндрических оптически прозрачных отверстий 10, создаваемых в зоне сопряжения оптических каналов моноблока. Это приводит к присутствию в оптическом контуре гироскопа некоторого дополнительного низкодобротного оптического резонатора с произвольной геометрией, а следовательно - с произвольной резонансной частотой. Его влияние является негативным из-за возникающих переотражений в его зоне, что снижает добротность оптической системы гироскопа в целом. При этом шумовая составляющая, формируемая оптическим сигналом в системе гироскопа, оказывает негативное влияние на точность измерения малых угловых скоростей объекта.

Сущность способа повышения добротности оптического контура в кольцевом моноблочном лазерном гироскопе с полупроводниковым лазерным диодом состоит в следующем.

Кольцевой оптический контур моноблочного гироскопа образован тремя цилиндрическими оптическими каналами, тремя зеркалами отражения лучистой энергии и технологическими цилиндрическими оптически прозрачными отверстиями. Повысить добротность кольцевой оптической схемы можно путем компенсации потерь на переотражение лучистой энергии в каналах и зеркалах за счет трансформации технологических цилиндрических оптически прозрачных отверстий в высокодобротные оптические резонаторы типа Фабри-Перо, в которых резонансная длина волны равна рабочей длине волны гироскопа, т.е. равна рабочей длине волны полупроводникового лазера.

Общими признаками способа повышения добротности оптического контура в прототипе в аналоге и прототипе являются:

- источник лазерного излучения;

- зеркала отражения лучистой энергии;

- цилиндрические оптические каналы;

- технологические цилиндрические оптически прозрачные отверстия.

Технический результат состоит в повышении добротности оптической схемы лазерного гироскопа за счет увеличения добротности цилиндрических оптически прозрачных резонаторов и направлен на снижение шумовой составляющей, формируемой оптическим сигналом в системе, что повышает чувствительность устройства при малых угловых скоростях объекта.

Заявляемый способ повышения добротности оптического контура реализуется следующим образом:

- в цилиндрических оптически прозрачных резонаторах наносится светоотражающее покрытие, по крайней мере, на одну из его внутренних поверхностей, что позволяет совместно с зеркалами оптического контура создавать высокодобротные резонаторы Фабри-Перо для циркулирующей в оптическом контуре гироскопа лучистой энергии лазерного источника;

- геометрические размеры цилиндрических оптически прозрачных резонаторов должны обеспечивать резонансную длину волны, равную рабочей длине волны полупроводникового лазерного диода.

Общими для заявляемого способа и прототипа являются следующие признаки:

- полупроводниковый лазерный диод;

- многоугольный оптический моноблок;

- цилиндрические оптические каналы, сформированные в многоугольном оптическом моноблоке;

- технологические цилиндрические отверстия в зонах сопряжения цилиндрических оптических каналов формируют низкодобротные оптически прозрачные резонаторы;

- зеркала отражения лучистой энергии, примыкающие непосредственно к граням оптического моноблока, которые совместно с цилиндрическими оптическими каналами и технологическими цилиндрическими отверстиями завершают формирование замкнутой кольцевой оптической схемы;

Отличными от прототипа являются следующие признаки:

- по крайней мере, на одну из внутренних поверхностей оптически прозрачных резонаторов нанесено светоотражающее покрытие;

- геометрические размеры оптически прозрачных резонаторов определяют резонансную длину волны, равную рабочей длине волны полупроводникового лазерного диода.

Сущность заявляемого способа повышения добротности оптического контура раскрывает схема на Фиг. 3

В кольцевую оптическую схему прототипа, формируемую в моноблоке 1 на основе цилиндрических оптических каналов 4 и зеркал отражения лучистой энергии 3 и 8, вводятся дополнительные высокодобротные объемные резонаторы 15, сопряженные с оптическими каналами 4 (Фиг. 3а). При распространении оптического сигнала в контуре моноблока 1 потери в цилиндрических оптических каналах 4 и на зеркалах отражения лучистой энергии 3, 8 компенсируются усилением сигнала в объемных высокодобротных резонаторах типа Фабри-Перо (Фиг. 3б, в), чем достигается повышение добротности в оптическом контуре. Общая добротность системы становится больше. Вариант создания торцевого отражателя 13 в высокодобротном объемном резонаторе 15 приведен на Фиг. 3б. Комбинированный вариант - создание торцевого отражателя 13 и бокового отражателя 14, приведен на Фиг. 3в.

Использование заявляемого способа повышения добротности оптического контура в лазерном гироскопе позволяет модифицировать известные датчики угловых скоростей для навигационных систем объектов с целью минимизации потерь мощности и повышения их точностных характеристик путем снижения шумовой составляющей, формируемой оптическим сигналом в кольцевой оптической системе гироскопа.

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 способа.

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

Заявленное устройство технически осуществимо и промышленно реализуемо на приборостроительном предприятии. В связи с изложенным, материалы заявки на предполагаемое изобретение соответствует уровню патентоспособности и промышленно применимо.

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем, в частности в бесплатформенных инерциальных навигационных системах. Способ базируется на использовании технологических отверстий моноблока гироскопа как дополнительных резонаторов внутри оптической схемы за счет нанесения светоотражающего покрытия на стенки отверстий. Технический результат состоит в разработке способа повышения добротности оптической схемы, что позволяет значительно снизить потребляемую мощность системы, а также получать более точную информацию о положении гироскопа в пространстве при малых углах отклонения. Применение способа позволяет модифицировать известные лазерные гироскопы на базе кольцевых лазерных схем для навигационных систем объектов с целью повышения их точностных характеристик отсчета измеряемых угловых скоростей и сохранения базисных параметров в качестве датчиков угловых скоростей, при минимальных потерях мощности излучения. 3 ил.

Способ повышения добротности оптического контура кольцевого моноблочного лазерного гироскопа с лазерным источником накачки, содержащего многоугольный оптический моноблок с цилиндрическими оптическими каналами и технологическими отверстиями, формирующими в зонах их сопряжения резонаторы с зеркалами отражения лучистой энергии, примыкающими непосредственно к граням оптического моноблока, которые совместно формируют замкнутую кольцевую оптическую схему, отличающийся тем, что повышение добротности оптического контура достигается за счет увеличения добротности резонаторов, конструктивно сформированных в зонах сопряжения оптических каналов путем нанесения светоотражающего покрытия, по крайней мере, на одну из внутренних поверхностей, что позволяет совместно с зеркалами оптического контура создавать высокодобротные резонаторы Фабри-Перо для циркулирующей в оптическом контуре гироскопа лучистой энергии лазерного источника.