Кольцевой оптический квантовый генератор Советский патент 1980 года по МПК H01S3/81 H01S3/83 

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам для измерения угловой скорости вращения с помощью кольцевых оптических квантовых генераторов (ОКГ). Взаимодействие встречных волн в кол цевых ОКГ приводит к тому, что при малых врацениях эти устройства становятся нечувствительными к угловым перемещениям (зона зазсвата), а при больших угло вых скоростях зависимость частоты биений встречных волн от скорости врацения нелинейна. Для уменьшения взаимодейств характеристики излучения для встречных направлений в кольцевых ОКГ стремятся сделать как можно более отличающимися как по частоте, так и по поляризации. Известно невзаимкое частотное устройство, которое позволяет выйти из зоны захвата и уменьшить погрешность измерений 1 . Однако, из-за относительной малости частотного расщепления (килогерцы - десуятки килогерц), обеспечиваемого невзаимным устройством в покоящемся кольцевом ОКГ, влияние обратной связи остается довольно большим, в результате чего зависимость частотъ биений встречных волн от скорости вращения остается нелинейной, а диапазон измеряемых угпОвьтх скоростей ограничен. Начальное частотное расщепление встречных волн определяется величиной напряженности продольного магнитного поля на невзаимном устройстве, поэтому нестабильность магнитного поля, а также случайные внешние магнитные поля являются дополнительными источниками погрешности измерения скорости вращения. Увеличивая начальное частотное ращепление, можно значительно уменьшить погрешность измерения, обусловленную взаимодействием встречных вопн, однако, при этом резко растут ошибки, вызванные нестабильностью магнитного поля и влиянием внешних магнитных полей. того, этот метод сопряжен с существенными техническими трудностями вследствие возрастания потерь в маг7u39676.оптическом веществе невзаимного, ус ройства при увеличении его толщины соз дания высокой стабилизации сильных маг нитных полей, магнитной экранировки и т.д. Известен кольцевой оптический квантовый генератор дл.я измерения угловых скоростей и перемещений, содержащий резонатор, образованный нечетным количеством зеркал, размещенные в резонаторе изотропные элементы и ячейку Фарадея, которая помещена в трехзеркаль ный резонатор. Взаимодействие встречных волн уменьшается не за счет создания начального частотного расщепления, а за счет разделения азимутов поляризаций линейно поляризованного излучения для двух направлений распространения. С помощью этого устройства взаимодействие встречных волн можно умень шить 2 . Однако обратная связь между волнами полностью не устраняется. Кроме того, дпя;максимального уменьшения взаимодействия волн в этом устройстве необходимо использовать ячейку Фарадея с уплом поворота плоскости поляризации, рав ным 90, что технически трудно осущест вить. Помещая в резонатор с 90-градусной ячейкой Фарадея кристаллическую пластитгку, обладающую линейной фазовой анизотропией, можно наряду с поляризацис)нной невзаимностью создать также и частотное разделение встречных волн. Та ким образом, взаимодействие встречных волн из-па обратного рассеяния в данном устройстве можно сделать мянимальвым. Кроме технической сложности осуществления 90-градусного поворота плос кости поляризации ячейкой Фарадея, тако устройство имеет еще один существенный недостаток. Он заключается в том, что кристаллическая пластинка, которая используется для создания частотной подставки, разрущается под влиянием радиации и других внещних возмущений. Это приводит к дополнительным ощибкам измерения и значительно уменьщает срок службы устройства. В устройстве не уст равена также зависимость частотной noft ставки от- величины магнитного поля на ячейке Фарадея и т.д. Цель изобретения - повышение точности, чувствительности и расширение диап зона измерения угловых вращений кольце вого ОКГ. Поставленная цель достигается тем, что в резонатор введен кольцевой ОКГ, ч тичный амплитудный поляризатор, ориентированный тшсим образом, что выделенное направление которого (плоскость поляризации, для которой пропускание поляризатора максимально) составляет угол 45 относительно плоскосги резонатора, в качестве ч.тстичного амплитудного поляри затора использованы окошки активного элемента. На фиг. 1 и 2 представлены условные схемы двух вариантов предлагаемого устройства; на фиг. За,б - принцип действия устройства.. Генератор содержит зеркала кольцевого резонатора 1, 2 и 3, ячейка Фарадея 4, активный элемент 5 (на фиг. 1 активный элемент 5 изотропный по поляризации), блок 6 питания активного элемента, устройство 7 для сведения встречных лучей, фотодетектор 8, регистрирующее устройство 9, частичный амплитудный поляризатор 1О., В качестве частичного амплитудного поляризатора используют окна активного элемента, выставленные под углом, отличным от нормального. На одной из схем предлагаемого устройства (см. ,фиг. 2) активнь1й элемент 5с наклонными окощками выставлен так, что плоскость П|адёния излучения на окощки составлйет угол, равный (близкий к) относительно плоскости резонатора. Генератор работает следующим образом. Устройство, не содержащее частичного амплитудного поляртзатора, характеризуется частртно-:поляризационным спектром (см. фиг. За, где -оптическая частота, Д - межмодовое расстояние, + и - натравления распространения луча, стрелками условно обозначены состояния поляризации излучения, - -смещение частоты излучения при врацении устройства. Частотный спектр излучения для двух направлений распространения волн одинаков, т.е. частотной невзаимности устройство без частичного поляризатора не создает. Спектр состоит из двух наборов продоль лых мод, сдвинутых друг относительно друга на половину межмодового интервала (фиг. 36). Поляризации же излучения для встречных направлений разные. В одном из направлений азимуты линейно поляризованного излучения для двух гребенок продольт,1Х мод -- и соответственно равны (If угол поворота плоскости полярйЪа ции ячейкой Фарадея) относительно плоскости резонатора. Во встречном направлении азимута поляризаций для этих наборов продолЕ ных мод равны соот ветственно М относительно пл скости резонатора. Разделение азимутов поляризации излучения для двух направле ..,.,-НИИ распространения равно углу Ч . Добротности волн, поляризованных в разнь11Х плоскостях, одинаковы. При внесении в резонатор дополнительно частичного ампл тудного поляризатора, выделенное иаг равпение которого составляет угол, близкий к 45 относительно плоскости резона тора, ориентации плоскостей поляризаций, воспроизводяцихся за полный обход резонатора, изменяется, но незначительно. Пропускание излучения для этих собстве ных поляризаций также изменится, прячем оно станет разным для излучения, поляри зованного в разных плоскостях. Подбором характеристик частичного амплитудного поляризатора и угла поворота плоскости поляризации ячейкой Фарадея можно добиться режима, когда пропускание излучения для одних собственных поляризаций (лежащих в плоскостях, ориентиро,,vy К ИЛ| . i ж tf и i + на фиг. ванных под углами За) меньше nojjorOBoro значения, а для других собственных,поляризаций (лежащих в плоскостях ориентированных под углами - иа фиг. За) - выше порогового значения. Тогда в генерации реализуется лишь тот набор частот, который изображен на фиг. 36 (сш1ошные линии), т.е. режим расщепления частот встречных волн на половину межмодового интервала с разделенными поляризациями причем разделение поляризаций ветре -ных вопн, в отличии от устройства без частичного амплитудного поляризатора увеличивается с уменьшением . Разделение поляризаций излучения для встречных, направлений приводит к дополни тельному уменьшению взаимодействия встречных волн. Что касается зависимости режима расщепления частот встречных волн на от напряженности магнитного поля на ячейке Фарадея, то эта зависимость заключается пИшь р том, что при сильных отклонениях магнитного поля от заданной величины могут быть нарушеньг пороговые условия генерации, в результате чего частотный спектр излуче- ния не будет отличаться от известного (фиг. За). В устройстве не используется кристаллическая пластинка, поэтому оно значительно менее подвержено влиянию. таких внешних возмущений, как радиация и прочее. При врацении устройства частоты генерации смещаются {фиг. 36, пунктирные линии). Если в обоих направлениях осу, ществляется одномодовый pejioiM генерации, то частота биений между встречными волнами на выходе фотодетектора отличается от йл на величину Cf , пропорцио 2нальную скорости вращения. Если .осуществляется многомодовый режим генерации (фиг. 36), то в спектре биений наблюда 6 -СТд . ются частоты Z2 Разность этих величин несет информацию о вращении. В случае одномодрвого режима генерации измерения малых частотных смещений, обусловленных врацением, на фоне большой частотной подставки затруднительны. Используя дополнительный радиотехнический гетеродин, настроенный на частоту, равную - , можно значительно облегчить извлечение информации. Однако, здесь требуется внешний а ысокост илизирсюанный гетеродин. Поэтому более предпочтительным является многомодовый режим, где в качестве сипнала гетеродина можно использовать один из двух сигналов на выходе фотодетектора. Способы измерения малых частотгадх измерений на фоне большой частотной подставки хорошо известны в радиотехнике. Характеристики частичного поляртзатс эа и ячейки Фарадея при достигается требуемый режим, а также азимуты поляризаций излучения могут быть получены с помощью рассчетной методики, использующей м атрицы Джонса, Предложенный кольцевой ОКГ отличается . рядом преимуществ. В нем достигается частотный режим работы, который сопровождается и поляризационной невзаимностью встречных волн, что практически исключает взаимодействие волн из-за братного рассеяния. Этот частотный реим Мало зависит от измене1тя магнитого поля. В результате устройство дает озможность измерять угловые перемеения с большей по сравнению с известыми устройствами точностью и расшияет диапазон измеряемых угловых скоротей. В устройстве не используются крисаллические анизотропные элементы, по7

атому оно значительно менее чувствител11йо к таким возмущениям, как радиация, высокая температура и т.д.

формула изобретения

1. Кольцевой оптический квантовый генератор для измерения угловых скоростей и перемещений, содержащий резонатор, образованный нечетным количеством зерквп и размещенные в резонаторе изотропные элементы и ячейку Фарадея, -отличающийся тем, что, с целью повыш1ения точности, чувствительности и расчирения диапазона измерения угловых

739676

вращений, в резонатор помещен чгютичшл амплитудный поляризатор, выдоле1тое направление которого составляет угол 45° относительно плоскости {«зонотора. 2. Генератор по п, 1, о т л и ч а ю щ и и с я тем, что в качестве ч.чстичного амплитудного поляризатора использованы окощки активного элемента, высставленные под углом, отличным от нормального.

Источники, информации, принятые во внимание при экспертизе

1.Авторское свидетелстство СССР № 270359, кл. Q 01 Р 3/68, 1964.

2.Рубанов В. С. ЖСП, 1969, т. 1О, аып. 5, с. 730 (прототип).

Фи,г- i

ФчгВ

-ь

- у /

ч X

2

I I (Л) 1

(

Фи.г 5