Фотосмесительное устройство лазерного гироскопа Российский патент 2024 года по МПК G02B17/04 G01C19/66 

Изобретение относится к оптическим системам или устройствам, применяемым для смешивания или разделения световых сигналов в лазерной технике, и может быть использовано в оптических гироскопах, в частности в лазерных гироскопах.

Фотосмесительное устройство используется в лазерных гироскопах для получения интерференционной картины на фотоприемниках вращения и направления части излучения на фотоприемник системы стабилизации оптической частоты. При этом конструкция смесителя влияет как на характеристики выходного сигнала фотоприемников, так и на излучение, возвращающееся обратно в резонатор. Характеристики выходного сигнала фотоприемников зависят от параметров светоделительных покрытий призмы и качества интерференционной картины.

Известен фотосмеситель [1], выполненный в виде сборки плоского зеркала и трапецеидальной призмы. На части входной грани последней выполнено светоделительное покрытие. Луч, распространяющийся против часовой стрелки, после преломления попадает на часть входной грани трапецеидальной призмы без светоделительного покрытия, затем на боковую грань трапецеидальной призмы под углом полного внутреннего отражения, затем на верхнюю грань трапецеидальной призмы также под углом полного внутреннего отражения, после чего отражается от светоделительного покрытия и попадает на фотоприемник. Луч, распространяющийся по часовой стрелке, после преломления через светоделительное покрытие попадает через выходную грань на фотоприемник.

Недостатком этого фотосмесителя является отсутствие возможности измерять мощность в одном луче для стабилизации частоты лазера.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является фотосмесительное устройство лазерного гироскопа, описанное в [2], выполненное в виде сборки выходного плоского зеркала и пентапризмы. В последней на входной грани выполнены два светоделительных покрытия с разными коэффициентами пропускания и, соответственно, дизайном, а на параллельной грани - отражающее покрытие. Раздельные покрытия позволяют выравнять интенсивности смешиваемых лучей.

Недостатками устройства являются:

- Трудоемкость изготовления раздельных покрытий, т.к. требуется два различных процесса напыления и точное совмещение масок для напыления.

- Ограниченные размеры и близкое расположение светоделительных покрытий, что усложняет юстировку пентапризмы, т.к. попадание части луча на край покрытия приводит к дополнительному значительному рассеянию и, как следствие, ухудшению точностных характеристик датчика.

Задачей изобретения является упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и юстировки фотосмесительного устройства лазерного гироскопа за счет изменения светоделительных покрытий пентапризмы.

Поставленная задача решается тем, что в известном фотосмесительном устройстве лазерного гироскопа, включающем выходное зеркало и установленную на обратной стороне его подложки пентапризму со светоделительным покрытием на входной грани и отражающим покрытием на параллельной грани, светоделительное покрытие выполнено единым с коэффициентом пропускания 45…75%.

На чертеже представлена конструкция предлагаемого фотосмесительного устройства лазерного гироскопа.

На обратной стороне подложки выходного зеркала 1 установлена пентапризма 2, предназначенная для смешивания лучей. На поверхность входной грани этой призмы нанесено единое светоделительное покрытие 3, а на заднюю грань отражающее покрытие 4. Сверху и снизу от призмы размещены приемник сигнала вращения 5 и приемник системы стабилизации оптической частоты 6 соответственно.

Встречные лучи лазера 7 и 8 попадают на зеркало 1. После прохождения подложки выходного зеркала 1 луч 7 частично отражается от светоделительного покрытия 3 на входной грани призмы, и его часть 9 через переотражения попадает на фотоприемник системы стабилизации оптической частоты 6, а другая часть 10 проходит в призму и после отражений от боковых граней и отражающего покрытия 4 смешивается с частью 11 луча 8 на светоделительном покрытии 3 на входной грани призмы. После этого смешанное излучение выходит из зеркала и попадает на приемник сигнала вращения 5. Указанный диапазон коэффициента пропускания покрытия 3 обеспечивает близкие или равные интенсивности частей 10 и 11 лазерных лучей, формирующих интерференционную картину, и части 9 лазерного луча 7, попадающего на фотоприемник системы стабилизации оптической частоты 6.

Оптимальное значение коэффициента пропускания, при котором интенсивности всех трех лучей одинаковы, зависит от материала призмы. Если материал имеет малое поглощение, I₀ - начальная интенсивность лучей 7 и 8, Т - коэффициент пропускания покрытия 3, то интенсивность луча 10 равна I₁₀=T²I₀, а интенсивность луча 11 равна I₁₁=(1-Т)I₀. При равенстве интенсивностей достигается максимальная видность интерференционной картины, равная 1.

Для призмы из плавленого кварца коэффициент пропускания покрытия, при котором интенсивности смешиваемых лучей равны, должен быть примерно равен 62%. В этом случае интенсивности частей лучей 10 и 11, попавших на фотоприемник сигнала вращения 5, составляют 38% от изначальной интенсивности. На фотоприемник системы стабилизации оптической частоты 6 также попадет 38% от изначальной интенсивности луча 7. Амплитуда сигнала интенсивности интерференционной картины в этом случае составляет 76% от исходной интенсивности одного луча. Принимая допустимые изменения видности до уровня 0,9, получим, что соответствующие коэффициенты пропускания должны лежать в диапазоне 45%…75%.

Проведенные эксперименты с призмой, имеющей единое светоделительное покрытие с коэффициентом пропускания 62%, показали, что нанесение единого светоделительного покрытия позволяет упростить конструкцию и снизить трудоемкость без ухудшения выходного сигнала.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет упростить конструкцию, снизить трудоемкость изготовления и юстировки фотосмесительного устройства лазерного гироскопа.

1. Патент США №4676643 А, 1985.

2. Ванюшин М.В., Цеваков В.А., Савельев И.И. Оптимизация оптической схемы смесительной призмы зеемановских лазерных датчиков угловой скорости // Материалы I конференции молодых ученых «Бортовые комплексы управления» / Материалы конференции молодых ученых. - М.: Издательско-торговая корпорация «Дашков и К^o», 2023, - с. 55-57. - прототип.

Изобретение относится к оптическим системам или устройствам, применяемым для смешивания или разделения световых сигналов в лазерной технике, и может быть использовано в оптических гироскопах, в частности в лазерных гироскопах. Фотосмесительное устройство лазерного гироскопа включает в себя выходное зеркало и установленную на обратной стороне его подложки пентапризму со светоделительным покрытием, выполненным единым с коэффициентом пропускания 45…75% на входной грани, и отражающим покрытием на параллельной грани. Технический результат: упрощение конструкции, снижение трудоемкости изготовления и юстировки фотосмесительного устройства лазерного гироскопа. 1 ил.

Фотосмесительное устройство лазерного гироскопа, включающее выходное зеркало и установленную на обратной стороне его подложки пентапризму со светоделительным покрытием на входной грани и отражающим покрытием на параллельной грани, отличающееся тем, что светоделительное покрытие выполнено единым с коэффициентом пропускания 45…75%.