Фотосмесительное устройство лазерного гироскопа Российский патент 2025 года по МПК G02B17/04 G01C19/66 

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

Известен [1] фотосмеситель, представляющий собой пентапризму, на которую из резонатора падают два лазерных пучка. В результате преломления первый пучок попадает на скос, выполненный под таким углом, чтобы излучение частично выходило из оптического элемента и попадало на приемник мощности, а частично отражалось и формировало необходимую интерференционную картину на приемнике сигнала вращения вместе со вторым пучком. Данная пентапризма имеет монолитную конструкцию, светоделительное покрытие на скошенной грани и покрытие на часть входной грани призмы.

Недостатком смесителя является необходимость точного изготовления, сборки и юстировки пентапризмы из-за ограниченных геометрических размеров светоделительных покрытий и моноблочной конструкции, а также значительное паразитное излучение, возникающее в результате рассеяния на гранях пентапризмы и краях покрытий. Кроме того, моноблочная конструкция смесителя требует юстировки на этапе резонатора, что значительно усложняет сборку резонатора.

Наиболее близким по технической сути к предлагаемому фотосмесительному устройству является описанный в [2] фотосмеситель. Оптический фотосмеситель выполнен в виде сборки плоского зеркала и пентапризмы, в последней выполнены на входной грани два светоделительных покрытия и отражающее покрытие на задней грани, параллельной входной. Луч, идущий в лазерном гироскопе по часовой стрелке, проходит сквозь зеркало и падает на светоделительное покрытие на входной грани призмы, частично отражается обратно и идет к приемнику системы стабилизации оптической частоты, а частично попадает внутрь призмы, отражается от боковой грани и отражающего покрытия ко второму светоделительному покрытию на входной грани призмы, где смешивается с лучом, идущим в лазерном гироскопе против часовой стрелки, и вместе с ним попадает на приемник сигнала вращения. Паразитное излучение, отраженное от второго светоделительного покрытия, попадает на скос пентапризмы и отражается под углом полного внутреннего отражения на боковую грань, куда падает под углом, близким к нормали, после чего выходит из смесителя. Такой фотосмеситель позволяет уменьшить требования к изготовлению и сборке резонатора. Раздельная конструкция зеркала и пентапризмы позволяет юстировать призму непосредственно по лазерному излучению гироскопа.

Недостатком устройства является значительное паразитное излучение. В результате данный оптический фотосмеситель имеет значительное обратное излучение, ведущее к снижению точности лазерного гироскопа.

Задачей изобретения является уменьшение излучения, возвращающегося обратно в резонатор лазерного гироскопа.

Поставленная цель достигается тем, что в известном фотосмесительном устройстве лазерного гироскопа, включающем выходное зеркало и установленную на его обратной стороне пентапризму с двумя светоделительными покрытиями на входной грани и отражающим - на противоположной грани, параллельной входной, скос пентапризмы, через который выходит паразитный луч, выполнен с нормалью под углом Брюстера по отношению к падающему лучу.

Конструкция смесителя вместе с ходом лучей представлена на чертеже. Контурно выделены рабочие лучи, тонкий пунктир обозначает паразитную засветку.

Выходное зеркало 1 располагается так, чтобы излучение из резонатора попадало в центр светоделительного покрытия 2. На задней стенке выходного зеркала установлена пентапризма 3, предназначенная для смешивания лучей. Скос пентапризмы зависит от материала и в случае кварца выполнен под углом 6 градусов к задней грани, а угол между падающим на скос лучом и нормалью скоса в таком случае составляет угол Брюстера: 34,4 градуса. На входную грань этой пентапризмы нанесены два светоделительных покрытия 4 и 5, а на заднюю грань отражающее покрытие 6. Сверху и снизу от призмы размещены приемник сигнала вращения 7 и приемник системы стабилизации оптической частоты 8 соответственно.

Лучи 9 и 10 падают в центр плоского или сферического со значительным радиусом кривизны выходного зеркало, на которое нанесено покрытие с низким коэффициентом пропускания, после чего луч 9 частично отражается от светоделительного покрытия 4 на входной грани пентапризмы и через переотражения попадает на фотоприемник системы стабилизации оптической частоты, а частично проходит в пентапризму и после отражений смешивается с лучом 10 на светоделительном покрытии 5 на входной грани пентапризмы. После этого смешанное излучение выходит из зеркала и попадает на приемник сигнала вращения 7. Коэффициенты пропускания покрытий 4 и 5 рассчитаны исходя из требования к равенству амплитуд двух лазерных пучков, формирующих интерференционную картину, и к достаточной интенсивности излучения, попадающего на фотоприемник системы стабилизации оптической частоты 8. Паразитное излучение, возникающее при выходе луча 9 на участке смешивания, отражается внутри пентапризмы и попадает на скос под углом Брюстера к нормали поверхности, в результате чего почти полностью выходит из смесителя. В предыдущем варианте фотосмесительного устройства скос пентапризмы был выполнен так, чтобы для излучения выполнялось условие полного внутреннего отражения и пучок, отражаясь от скоса, выходил через боковую грань пентапризмы, при этом не менее 0,58% излучения отражалось от грани и оставалось внутри смесителя без учета рассеяния. При этом суммарная обратная засветка величиной 0,2475 ppm возвращается в резонатор и попадает в моду.

В новой конфигурации пентапризмы коэффициент отражения излучения от скоса пентапризмы при падении пучка на грань под углом Брюстера к нормали равен 0,02% в s-поляризации, при этом р-поляризация полностью выходит из смесителя. С учетом пропускания покрытий пентапризмы и зеркала обратно в резонатор возвращается не более 0,0093 ppm от суммарного излучения, выходящего из резонатора, суммарная величина обратной засветки, попадающей в моду, составляет 0,01125 ppm, что в 22 раза меньше, чем в прототипе.

Предлагаемая конструкция фотосмесительного устройства лазерного гироскопа обеспечивает уменьшение излучения, возвращающегося обратно в резонатор.

Список литературы

1. Европейский патент ЕР 0246352 В1, 1991. Readout apparatus for a ring laser angular rate sensor.

2. Ванюшин M.B., Цеваков B.A., 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°», 2023, - с. 55-57 - прототип.

Изобретение относится к оптическим системам, в частности к 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 его обратной стороне пентапризму с двумя светоделительными покрытиями на входной грани и отражающим - на противоположной грани, параллельной входной, скос пентапризмы, через который выходит паразитный луч, выполнен под углом Брюстера по отношению к падающему лучу. Технический результат - уменьшение излучения, возвращающегося обратно в резонатор лазерного гироскопа. 1 ил.

Фотосмесительное устройство лазерного гироскопа, включающее выходное зеркало и установленную на его обратной стороне пентапризму с двумя светоделительными покрытиями на входной грани и отражающим - на противоположной грани, параллельной входной, отличающееся тем, что скос пентапризмы, через который выходит паразитный луч, выполнен с нормалью под углом Брюстера по отношению к падающему лучу.