Кольцевой оптический квантовый генератор Советский патент 1985 года по МПК H01S3/81 H01S3/83 

иг.1

Изобретение относится к квантовой электронике, а именно к устройствам для измерения угловых скоростей и перемещений с помощью кольцевьк оптических квантовых генераторов (ОКГ).

Взаимодействие (связь) встречных волн в кольцевых ОКГ приводит к тому, что при малых вращениях эти устройства становятся нечувствительнь 1И к угловым перемещениям (зона захвата), а при больгаих угловых скоростях зависимость частоты биений встречных волн от скорости вращения нелинейна. Для уменьшения взаимодействия характеристики излучения для встречных направлений в кольцевых ОКГ стремятся сделать как можно более отличающимися как по частоте, так и по поляризации.

Известно невзаимное частотное устройство, которое создает начальное частотное расщепление встречных волн (частотную подставку), что позволяет измерять малые скорости вращения и уменьшает погрешности измерения. Однако из-за относительно малой частотной подставки (килогерцы, десятки килогерц), влияние обратной связи оста1ется довольно большим, в результате чего зависимость частоты биений встречных волн от скорости вращения (частотная характеристика) остается нелинейной, а диапазон измерения угловых скоростей становится ограниченным сверху.-Величина частотной подставки определяется величиной напряженности продольного магнитного поля на невзаимном устройстве, поэтому нестабильность магнитного поля, случайные внешние магнитные поля, а также зависимость постоянной Вердэ магнитооптического материала невзаимного устройства от температуры и других внешних параметров представляют собой дополнительные источники погрешности измерения скорости вращения. Увеличивая частотную подставку, можно значительно уменьшить погрешность измерения, обусловленную взаимодействием встречных волн, но при этом растут ошибки, вызванные нестабильностью магнитного поля и влиянием внешних полей.

Известен также кольцевой ОКГ, содержащий резонатор с размещенными в нем изотропными элементами и частичным линейным амплитудным поляризатором. Устройство содержит ес.тественный вращатель плоскости поляризации и частичньй линейный поляризатор, помещенные в четырехзеркальный резонатор.

В этом устройстве взаимодействие встречных волн уменьшается не за счет создания частотной подставки, а за счет разделения плоскостей поляризации линейно поляризованного излучения для двух направлений распространения.

С помощью этого устройства взаимодействие встречных волн можно ;уменьшить. Однако это устройство имеет ряд недостатков. Связь между волнами остается значительной, поскольку в устройстве отсутствует частотная подставка и генерация во встречных направлениях осуществляется при отсутствии вращения на совпадающих частотах. В результате этого диапазон измерения вращения с помощью данного кольцевого ОКГ остается ограниченным со стороны малых скоростей вращения (зоны захвата) , а при больших угловых скоростях измерения по-прежнему сопровождаются значительными ошибками, поскольку ход частотной характеристики кольцевого ОКГ вблизи зоны захвата, кроме скорости вращения, зависит от многих других параметров устройства, например таких, как расстройка, добротность, усиление.

Целью изобретения является повышение точности, чувствительности и расширение диапазона измерения скорости вращения.

Это достигается внесением в резонатор кольцевого ОКГ, оптического вращателя плоскости поляризации, состоящего из двух оптических элементов - естественного оптического вращателя и ячейки Фарадея.

На фиг. 1 и 2 показаны условные : схемы двух вариантов цредлагаемого устройстваJ на фиг. 3 - принципиальная схема устройства.

Устройство содержит зеркала кольцевого резонатора 1-4, изотропный по поляризации активны:- элемент

5,блок питания активного элемента

6,частичный линейный поляризатор

7,устройство 8 для сведения встречных лучей, выходящих из кольцевого ОКГ, фотодетектор 9, регистрирующее устройство 10, оптический вращатель 11, естественный оптический вращатель 12 и ячейку Фарадея 13. В качестве естественного оптического вращателя, обеспечивающего поворот плоскости поляризации на угол, близкий к 90, можно использ вать циркулярно-фазовую пластинку с разностью набега фаз для двух круговых поляризаций, близкой к 18 На фиг. 1 изображен вариант предлагаемого устройства, где в качестве естественного оптического вращателя 11.1 использована цир кулярно-фазовая пластинка. При использовании резонатора с четным количеством зеркал роль естественного оптического вращателя может играть линейно-фазовая полуволновая пластинка в комбинации с одним из зеркал резонатора, выстав ленная так, что выделенное направл ние (вьщеленное направление - плос кость, для которой показатель прел ления волны максимален) лежит в плоскости, перпендикулярной к лучу и направлено под углом, близким к 45 относительно плоскости резонатора. На фиг. 2 представлена схема второго варианта устройства, в котором в качестве естественного оптического вращателя 11.1 использована комбинация, состоящая из по луволновой пластинки 11.0 и одного из зеркал резонатора (зеркало 3 На фиг. 3 приняты следующие обо значения: - - оптическая частота д. а 0 - собственные часто ты резонатора, содержащего анизотропные элементы, i2) - межмодовое расстояние; -- - смещение резонан ных частот резонатора при вращении устройства; знаками + и - обозначе ны направления распространения луч по часовой стрелке и против нее. Для одного из направлений обхода контура естественный оптический вращатель и ячейка Фарадея частично компенсируют друг друга, в результате чего устройство эквивалентно одному вращателю с неболь шим углом поворота плоскости поляр зации и частичному линейному поляризатору. При определенных параметрах этих оптических элементов ,можно получить режим генерации на линейных поляризациях с частотой излучения, не зависящей от угла поворота плоскости поляризации вращателем, т.е. от напряженности магнитного поля на ячейке Фарадея (в некотором диапазоне его изменения). Для встречного направления обхода контура эффекты естественного вращателя и ячейки Фарадея суммируются, в результате чего устройство эквивалентно одному оптическому вращателю с небольшим углом по ворота плоскости поляризации при дополнительном набеге фаз, равном ISO, и частичному линейному поляризатору. При некоторых параметрах оптических элементов устройства для этого направления обхода контура также можно получить режим генерации на линейных.поляризациях, причем оптические частоты излучения отличаются от частот излучения в прямом направлении на половину межмодового интервала и не зависят от напряженности магнитного поля на ячейке Фарадея в некотором диапазоне изменения поля. Поэтому частотный спектр излучения кольцевого ОКГ имеет вид, показанный на фиг. 3 сплошными линиями. Азимуты поляризаций излучения зависят от параметров анизотропных элементов устройства. Подбором значений этих параметров можно осуществить разделение плоскостей поляризаций встречных волн вплоть до ортогональных. При вращении устройства частоты злучения смещаются (см. фиг. 3, унктирные линии). Если в обоих аправлениях осуществлен одноодовый режим генерации, то часота биений между встречными волнаи на выходе фотодетектора отличана величину cf-J тся от - на величину cf-J , проорциональную скорости вращения. ращ сли осуществлен многомодовый режим енерации (см. фиг. 3), то в спектре иений наблюдаются частоты --+ cfV --- - сГл) . Используя стандартные адиотехнические ме7оды, можно выелить частоту ( + tf-i} (г ) - 2 с/, которая непосред-, ственно имеет информацию о вращении.

Характеристики оптических элементов устройства, при которых достигается требуемый режиму а также азимуты плоскостей поляризаций излучения могут быть получены с помощью расчетной методики матриц Джонса,

В предлагаемом устройстве достигается частотный режим работы кольцевого ОКГ, которьй сопровождается поляризационной невзаимност

встречных волн, что практически исключает взаимодействие волн из-за обратного рассеяния. Этот частотный

режим фактически не зависит от изменений магнитного поля. В результате устройство дает возможность измерять угловые перемещения с большей по сравнению с известными устройствами точностью и расширяет диапазон измеряемых угловых скоростей.

D10

иг.2

КОЛЬЦЕВОЙ ОПТИЧЕСКИЙ КВАНТОВЫЙ ГЕНЕРАТОР для измерения угловых скоростей и перемещений, содержащий резонатор с размещенными в нем изотропными элементами и частичным линейным амплитудным поляризатором, отличающийся тем, что, с целью повышения точности, чувствительности и расширения диапазона измерения скорости вращения, в резонатор помещен оптический вращатель плоскости поляризации, состоящий из оптического вращателя и ячейки Фарадея.