Лазерный датчик угловой скорости Советский патент 2016 года по МПК G01P3/68 

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при создании и разработке угломерных, навигационных систем различного назначения.

Известны устройства измерения угловых скоростей на основе кольцевых оптических квантовых генераторов, которые работают в 4-волновом режиме /1/. Благодаря 4-волновому режиму устройства измеряют мгновенное значение угловой скорости. Для обеспечения 4-волнового режима в кольцевых ОКГ используются изотропные резонаторы с фазовыми пластинками, а начальное расщепление частот встречных волн, обеспечивающее высокую чувствительность всего устройства к малым угловым скоростям, осуществляется наложением продольного магнитного поля на активную среду. Блок-схема устройства приведена на рис. 1.

В кольцевом резонаторе, образованном зеркалами 1, установлен активный элемент 2, герметизированный окнами, расположенными перпендикулярно к направлению распространения встречных волн. На окнах установлены четвертьволновые 3 и фазовые 4 пластинки. Активный элемент помещен в соленоид 5. На выходе одного из зеркал резонатора установлены две призмы 6, например, Волластона, которые разделяют в пространстве электромагнитные волны с линейными ортогональными поляризациями. Затем встречные волны с одинаковыми типами поляризации совмещаются в пространстве четырьмя зеркалами 7 и двумя полупрозрачными пластинами 8 и подаются на два фотоприемника 9. На их выходе выделяется сигнал биений, частота которого в идеальном случае пропорциональна магнитному полю и угловой скорости перемещения устройства. Дальнейшей обработкой в блоке 10 выделяют сигнал, частота которого пропорциональна только угловой скорости.

Благодаря продольному магнитному полю, приложенному к активному элементу, и четвертьволновым пластинкам, установленным на его окнах, встречные электромагнитные волны имеют линейный тип поляризации за пределами активной среды и круговой тип поляризации в самой активной среде. Вследствие этого при рассеянии энергии на элементах резонатора, например, зеркалах, увеличивается взаимодействие встречных волн и ухудшается точность и сокращается диапазон измерения угловых скоростей.

Кроме того, величина начального расщепления частот встречных волн с одинаковым типом поляризации является нелинейной функцией величины магнитного поля Н, расстройки частоты относительно центра линии усиления Δν, превышения усиления над потерями для этой пары волн Δq и некоторых других. Поэтому практически не удается получить сигнал биений на выходе блока 10, частота которого была пропорциональна только угловой скорости. Это приводит к существенному снижению точности измерения угловой скорости и делает такое устройство чувствительным к внешним магнитным полям.

Последний недостаток вызван тем, что начальное расщепление частот встречных волн осуществляется в активной среде, которая является нелинейной.

Известное устройство имеет еще один недостаток - это многоэлементная сложная система совмещения встречных волн и выделения сигнала их биений.

Авторами предлагается устройство для измерения угловых скоростей с использованием кольцевого оптического квантового генератора, свободное от недостатков известного.

Улучшение достигается изменением конструкции кольцевого ОКГ, благодаря чему встречные волны имеют линейные одинаковые типы поляризации в активной среде и круговые за пределами активного элемента, а также изменением конструкции системы выделения сигнала биений.

Блок-схема предлагаемого авторами устройства приведена на рис. 2. В кольцевом резонаторе, образованном зеркалами 1, установлен активный элемент 2. На окне активного элемента установлены четвертьволновые пластины 3, а между ними одна или несколько, например две, линейные фазовые пластинки 4. При этом кристаллографические оси четвертьволновых пластинок скрещены, а оси линейных фазовых пластинок составляют угол ±45° с осями четвертьволновых и одна совпадает с плоскостью резонатора. Такая конструкция кольцевого оптического квантового генератора приводит к тому, что встречные волны имеют линейные одноименные типы поляризации в активной среде и круговые одноименные за пределами активного элемента. Трансформация типов поляризации встречных электромагнитных волн в кольцевом ОКГ показана на рис. 3а.

Из-за того что встречные волны имеют попарно линейные и ортогональные типы поляризации в пространстве между четвертьволновыми пластинами, электромагнитные волны одного направления, например, распространяющиеся против часовой стрелки, смещены по частоте на величину, определяемую разностью фаз или оптических путей в фазовых пластинах.

Начальное расщепление частот встречных волн может осуществляться с помощью ячейки Фарадея 10, установленной в резонаторе. Спектр излучения кольцевого ОКГ будет иметь вид, представленный на рис. 3б.

Рассеяние энергии встречных волн на элементах резонатора, например, зеркалах, приводит к взаимодействию встречных волн только в том случае, когда прямая и рассеянная в обратном направлении волны имеют близкие частоты, практически совпадающие, и неортогональные типы поляризации.

В предлагаемом устройстве рассеянная электромагнитная волна и прямая за пределами активного элемента имеют круговые ортогональные типы поляризации, а в активной среде - линейные ортогональные. То есть в предложенной конструкции устранена связь между встречными волнами.

Таким образом в предлагаемом устройстве устранены два основных недостатка из известных: связь между встречными волнами и чувствительность к магнитному полю. Благодаря этому увеличена точность и расширен диапазон измерения угловых скоростей.

Вывод энергии встречных волн за пределы резонатора осуществляется частично прозрачным зеркалом. Вследствие того, что зеркало расположено под углом к электромагнитным волнам, на выходе эти волны имеют эллиптическую форму поляризации. Из-за этого разделить волны по поляризации не удается. Поэтому спектр полезного сигнала сложен, что ухудшает его обработку и уменьшает диапазон измерения угловых скоростей.

Для устранения этого явления выводящее зеркало выполнено на подложке 5, представляющей собой четвертьволновую пластину, и установлено таким образом, что ориентация кристаллографических осей зеркала-пластинки совпадает с ориентацией осей четвертьволновых пластинок, установленных на окна активного элемента. В результате электромагнитные волны на выходе такого зеркала имеют линейные формы поляризации, а явление деполяризации сведено практически на нет.

Затем встречные волны совмещаются в пространстве любым известным устройством, например, призмой 6, и только после этого разделяются по поляризациям, например, призмой Рошона или Волластона 7, и подаются на два фотодетектора 8. Сигналы биений усиливаются и подаются на блок 9, где и выделяется сигнал, частота которого пропорциональна угловой скорости перемещения устройства.

Как видно из описания системы выделения сигналов биений, она содержит меньшее количество элементов, чем в известном устройстве, а функции выполняет такие же.

Следовательно, в предложенном устройстве ликвидированы основные недостатки прототипа: повышена точность и расширен диапазон измерения угловых скоростей, а также упрощена конструкция всего устройства.

Изобретение относится к оптическим устройствам для измерения угловых скоростей и перемещений. Сущность: устройство содержит кольцевой резонатор с выводящими зеркалами (1), активный элемент (2) с расположенными на его окнах четвертьволновыми пластинами (3) и двумя линейными фазовыми пластинами (4), закрепленную на выводящем зеркале (1) дополнительную четвертьволновую пластину (5), разделительную призму (7), два фотоприемника (8), ячейку (10) Фарадея. Кристаллографические оси четвертьволновых пластин (3) скрещены. Одна из кристаллографических осей линейных фазовых пластин (4) лежит в плоскости резонатора, а другая совпадает с биссектрисой угла между осями четвертьволновых пластин (3). Кристаллографические оси дополнительной четвертьволновой пластины (5) совпадают с осями одной из основных пластин (3). Технический результат: снижение чувствительности к внешним магнитным полям, улучшение разделения лучей по поляризации. 3 ил.

Лазерный датчик угловой скорости, содержащий кольцевой резонатор с выводящим зеркалом, активный элемент с расположенными на его окнах четвертьволновыми пластинами, кристаллографические оси которых скрещены, ячейку Фарадея, разделительную призму и два фотоприемника, отличающийся тем, что, с целью снижения чувствительности к внешним магнитным полям и улучшения разделения лучей по поляризации, он снабжен закрепленной на выводящем зеркале дополнительной четвертьволновой пластиной и двумя линейными фазовыми пластинами, которые расположены на окнах активного элемента таким образом, что одна из их кристаллографических осей лежит в плоскости резонатора, а другая совпадает с биссектрисой угла между осями четвертьволновых пластин, при этом кристаллографические оси дополнительной четвертьволновой пластины совпадают с осями одной из основных пластин.