Кольцевой лазер для измерения угловых скоростей и перемещений Советский патент 1985 года по МПК H01S3/83 

EzH

V

/J Z/2./

Изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться для измерения угловых скоростей и перемещений с помощью кольцевых оптических квантовых генераторов (ОКГ)

Известен кольцевой ОКГ для измерения угхсовых скоростей и перемещений j у которого частоты встречных волн разделены с помощью невзаимного фазового элемента Невзаимный фазовый элемент представляет собой ячейку Фарадея, помещенную между двумя четверть-волновыми пластинками, причем главные оси гшастинок развернуты на угол 90° ij .

Однако известное устройство имеет ряд недостатков. Величина этой частотной подставки обычно невелика (килогерцы - дэсятки килогерц что значительно меньше полосы резонатора)5 поэтому влияние обратной связи остается довольно большим, ачастотная характеристика остается нелинейной.

Величина частотной подставки нестабильна, что обусловлено нестабильностью магнитного поля на ячейке ФарадеяS влиянием внешних полей, изменением постоянной Верде магнитооптического материала, изменением оптических тола1;ин ячейки Фарадея и четвертьволновых пластинок при изменении температуры, наличии радиации и т.д. Изменение нелинейности

частотной характеристики и нестабильность частотной подставки приводят к

ошибкам измерения угловых скоростей и перемещений.

Известен кольцевой лазер для измерения угловых скоростей и перемещений, состоящий из активного элемента, помещенного в основной резонатор, и невзаимного элемента, расположенного в дополнительном резонаторе. Это устройство состоит из сложного кольцевого резонатора с двумя зеркалами связи, В основной контур резонатора помещают активный элемент, а в дополнительный - невзаимный фазовый элемент. Невзаимный фазовый элемент состоит из двух четверть-волновых пластинок -с развернутыми на 90 главными осями, между которыми располагается ячейка Фарадея 2j, Недостатком известного устройства является нестабильность разности частот встречных волн из-за нестабильности магнитного поля на

ячейке Фарадея, обусловленной влиянием внешних магнитньк полей, изменением постоянной Верде магнитного оптического материала и т.д. Нестабильность разности частот встречных волн-частотной подставки приводит к ощибкам измерения угловых скоростей и перемещений.

Цель изобретения - уменьшение влияния магнитного поля.

Поставленная цель достигается тем, что в предложенном лазере в качестве невзаимного элемента используют два поляризатора, между которы™ ми установлены ячейка Фарадея и циркулярная фазовая пластинка. Изменения магнитных полей на ячейке Фарадея приводят к изменению угла поворота плоскости поляризации ячейкой Фарадея. Возникшую вследствие этого дополнительную составляющую излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости пропускания полного поляризатораэ в резонатор не пропускают полные поляризаторы. Таким образом, волна, прошедшая через невзаимное устройство, не вносит дополнительной разности фаз, которая влияет на положение генерируемых частот и на величину частотной подставки.

На фиг.1 приведена схема кольцевого лазера с сложным резонатором у которого связь двух контуров осуществляется с помощью одного зеркала, на фиг. 2-4 - кривые частот.

На схеме показаны зеркала 1-3, которые вместе с зеркалом 4 связи образуют основной контур, зеркала 57j которые вместе с зеркалом 4 связи образуют дополнительный контур, активный элемент 8, блок 9 питания активного элемента, полные поляризаторы 10J которые пропускают лишь одну из компонент, ячейка 11 Фарадея поворачивающая плоскость поляризации на 90°, циркулярная фазовая пластинка 12, поворачивающая плоскость поляризации на 90 , оптический смеситель 13 фотоприемник 14, регистрирующее устройство 15, пьезоэлементы 16 и системы 17 автоподстройки длин периметров контуров. Буквой К и стрелкой обозначено магнитное поле, наложенное на ячейку Фарадея,

В основном контуре находится активный элемент 8, в качестве которого используют обычную газоразрядную трубку с брюстеровскими окнами, наполненную гелий-неоновой смесью. В дополнительном контуре расположен невзаимный элемент, соетоящий из двух поляризаторов 10, главные оси которых совпадают, и ячейки 11 Фарадея с циркулярной фазвой пластинкой 12 между ними. В качестве поляризатора можно использовать поляризационные призмы, поляроиды и т.д. Ячейка 11 Фарадея перемещена в продольное магнитное поле, создаваемое: с помощью соленоида, через обмотку которого проходит постоянный ток, или с помощью постоянного магнита. Величина магнитного поля, а также характеристики магнитооптического вещества такие, что обеспечивают поворот плоскости поляризации излучения, прошедшего через ячейку Фарадея на угол 90. В качестве магнитооптического вещества ячейки Фарадея могут использоваться гранаты, ферритовые пленки, тербиевые и другие сорта стекол. В качестве циркулярной фазовой пластинки может использоваться пластинка из оптически активного вещества. Толщина пластинки и харак теристики вещества такие, что обеспечивают поворот плоскости поляризации излучения, прошедшего через пластинку на угол 90°. Прошедшее через поляризатор излучение становится линейно поляризованным в плоскости, задаваемой поляризатором. После прохождения ячейки Фарадея и циркулярной фазовой пластинки в одном направлении плоскость поляриза. л о, о ции поворачивается на угол 1ои ,

а в противоположном поворот равен о, т.е. невзаимный фазовьй элемент создает разность набега фаз для встречных лучей, равную 180 . Второ

поляризатор обеспечивает сохранение плоскости поляризации на выходе из невзаимного элемента. Длина периметра дополнительного контура в два раза меньше длины периметра основного контура. В качестве фотоприемника 14 может использоваться фотоумножитель или широкополосный фотодиод, чувствительный к сигналу межмодовых биений.

Регистрирующее устройство 15 представляет собой стандартную радиотехническую аппаратуру и обеспечивает выделение и измерение разности двух, близких по величине чатот межмодовых биений, содержащихся в фототоке приемника излучения 14. Пьезоэлементы 16 и системы автоподстройки 17 служат для автоподстройки длин периметров резонаторов с целью настройки частот продольных мод основного контура относительно кривой усиления и совмещения резонансов дополнительного контура относительно продольных мод сложного резонатора. В качестве пьезоэлементов 16 и систем автоподстройки 17, а также в качестве остальньк деталей и узлов (зеркала ,,3,5, 6 и 7, блок питания активного элемента 9, оптический смеситель 13) могут использоваться известные устройства, применяемые в лазерной технике. Зеркало 4 связи характеризуется тем, что частично пропускает излучение.

Устройство работает следукщим образом.

Известно, что наличие дополнительного контура в сложном резонаторе приводит к возникновению зависящих от частоты потерь. При использовании кольцевого ОКГ частотные характеристики потерь для встречных направлений обычно совпадают. При помещении в дополнительный контур невзаимного элемента набеги фаз встреных лучей в дополнительном контуре становятся разными, что позволяет сместить частотную характеристику потерь сложного резонатора для одного направления распространения луча относительно частотной характеристики потерь для встречного направления распространения луча. В изобретении при включении ОКГ часть излучения от активного элемента через зеркало связи попадает в дополнительный контур и проходит через невзаимньй элемент. При обходе дополнительного контура по часовой стрелке волна проходит через поляризатор, становится линейной поляризованной в плоскости, задаваемой главной осью поляризатора. Ячейка Фарадея поворачивает плоскость поляризации на 90 , затем циркулярная фазовая пластинка поворачивает плоскость поляризации допол„ о

нительно на 9и , поэтому плоскость поляризации поворачивается на 180 . Излучение остается линейно поляризо ванньи в плоскости полного полярнзатора и проходит через второй поля риэатор без потерь. Волна получает дополнительный набег фазы 180 при проходе невзаимного элемента. Дня направления против часовой стрелки поворот плоскости поляризации в ячейке Фарадея на 90 компенсируетс поворотом плоскости поляризации в циркулярной фазовой пластинке на 90 в противоположном направлении. Полный поворот плоскости поляризаци равен нулю. Волна при этом не получает дополнительного набега фазы. Таким образом, из-за различия набега фаз для волн во встречных направ лениях частотные ::арактеристики рез натора смещены одна относительно другой. Минимальным потерям в одном направлении соответствуют максималь ные потери в другом и наоборот. При совмещении с помощью систем автоподстройки длин периметров основног и дополнительного контуров одних продольных мод сложного резонатора с его резонансами добротности для одного направления распространения луча и соседних продольных мод с резонансами добротности для другого направления распространения луча, при определенных соотношениях между селективной способностью дополнительного контура, уровнем неселективНых потерь и накачки разностью набега фаз встречных лучей в невзаимном элементе и длинами перимет ров основного и дополнительного контуров достигается режим генерации на типах колебаний ТЕМ глпч сло ного резонатора с разнътм для встре ных направлений аксиальньми индексами Q , Изменение магнитных полей приводит к отклонению угла поворота плоскости поляризации в ячейке Фара дея от 90 . При этом появляется дополнительная составляющая излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации. Однако полные поляризаторы не пропускают в резонатор эту составляюп5ю излуче НИЛ, и дополнительная разность хода равняется нулю. Таким образом, изме нение магнитного поля не влияет на стабильность частот, т,а, осуществляется режим нечувствительный к изменению мап-штного поля Работа кольцевого ОКГ поясняется фигурами 2,3 и 4, где -) - оптическая частота, 5,,2 ,,4,- 5, 6,7 частоты семи продольных мод сложного резонатора, сплошными вертикальными линиями изображены продольные моды сложного резонатора, штриховыми линиями (фиг,4) - положения этих мод при вращении устройства: 8 /2 - величина смещения мод, вызванная вращением кольцевого ОКГ. Знаками плюс и минус обозначены направления распространения луча по и против часовой стрелки. Кривыми (фиг,2) и НГ(9) (фиг.З) изображены зависимости добротностей излучения в сложном кольцевом ОКГ для встречных волн, распространяющихся в основном контуре по и против часовой стрелки соответственно ;.лРа расстояние между макси мумами добротности. Кривой Кур (9) на фиг,4 изображен контур усиления рабочей линии, В данном кольцевом ОКГ одно из зеркал резонатора заменено дополнительным контуром. Вследствие частотной зависимости коэффициента отражения дополнительного контура, которая аналогична частотной зависимости коэффициента отражения интерферометра Фабри-Перо, добротность данного сложного кольцевого резонатора зависит от частоты и имеет вид R () и R (9) (фиг,2 и 3). Здесь, поскольку в дополнительном контуре помещен невзаимный элемент, характеризующийся разностью набегов фаз для встречных направлений в ISO, кривые П ()} иВ(9) смещены одна относительно другой на величину - т.е. области максимальных добротностей в каждом из направлений соответствуют области минимальных добротностей во встречном направлении. Расстояние между максимумами добротности для встречных волн равно , Если длина периметра основного контура в два раза больше длины периметра дополнительного контура, то при определенных настройках длины периметра дополнительного контура сложный кольцевой резонатор характеризуется набором частот во встречных направлениях, каждая вторая мода которых попадает в область минимальнь:х

КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, состоящий из активного элемента, помещенного в основной резонатор, и невзаимного элемента, расположенного в дополнительном резонаторе, отличающийся тем, что, с целью уменьшения влияния магнитного поля, невзаимный элемент выполнен из двух поляризаторов, между которыми установлены ячейка Фарадея и циркулярная фазовая пластина. 4 U) о ос VO