ГИРОСКОП НА СТАБИЛИЗИРОВАННОМ ТВЕРДОТЕЛЬНОМ ЛАЗЕРЕ БЕЗ ЗОНЫ НЕЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ
GYROSCOPE ON STABILISED SOLID-STATE LASER WITHOUT DEAD BAND

Настоящее изобретение относится к гироскопам на твердотельных лазерах для измерения скорости вращения или угловых положений. Оборудование данного типа применимо, в частности, в области аэронавигации.
Лазерные гироскопы были разработаны около 30 лет назад и широко применяются в наше время. Принцип их работы основан на эффекте Саньяка, вызывающем возникновение разности частот Ω между двумя модами оптического излучения, распространяющимися в противоположных направлениях, что называют встречным распространением, из вращающегося двунаправленного кольцевого лазерного резонатора. Как правило, разность частот Ω равна:
Ω=4Aω/λL,
где L и А - соответственно длина и площадь резонатора; λ - длина волны лазерного излучения без учета эффекта Саньяка; ω - угловая скорость вращения лазерного гироскопа.
Используя значение Ω, полученное путем спектрального анализа биения двух излучаемых пучков, с высокой точностью получают значение ω.
При помощи электронного счетчика подсчитывают обусловленные биениями интерференционные полосы, перемещающиеся во время изменения углового положения, также с высокой точностью получают относительное значение углового положения.
Для изготовления лазерного гироскопа необходимо решить несколько технических задач. Первая из них связана с качеством биения, возникающего между двумя лучами, которое определяет правильное функционирование лазера. Чтобы биение было точным, необходимы надлежащая стабильность и относительное сходство значений интенсивности излучения в обоих направлениях. Но в случае твердотельных лазеров вышеуказанные стабильность и сходство не гарантированы из-за мод-модовой конкуренции, в результате чего одна из двух встречных мод монопольно использует имеющееся усиление в ущерб другой моде. Проблема нестабильности двунаправленного излучения твердотельного кольцевого лазера может быть решена за счет применения контура противодействующей реакции, предназначенного для коррекции разности значений интенсивности двух встречных мод с приведением интенсивности к заданному значению. Такой контур воздействует на лазер, привязывая к направлению распространения его потери, например, при помощи взаимного вращающего элемента, невзаимного вращающего элемента и поляризующего элемента (патентная заявка 0303645), или привязывая к направлению распространения его коэффициент усиления, например, при помощи взаимного вращающего элемента, невзаимного вращающего элемента и кристалла с поляризованным излучением (патентная заявка 0314598). После такого согласования по интенсивности лазер излучает два встречных луча со стабильной интенсивностью и может применяться в качестве лазерного гироскопа.
Вторая техническая сложность связана с малыми скоростями вращения, поскольку лазерные гироскопы работают точно лишь за пределами некоторой скорости вращения. При малой скорости вращения сигнал биений Саньяка исчезает из-за взаимодействия двух встречных мод, что обусловлено обратным рассеянием света на различных оптических элементах, находящихся в резонаторе. Диапазон скоростей вращения, в котором наблюдается данное явление, обычно называют зоной нечувствительности (мертвой зоной), и он соответствует типичной частоте биений порядка нескольких десятков килогерц. Эта проблема присуща не только твердотельным лазерам, она также характерна и для гироскопов на газовых лазерах. Наиболее распространенное решение применительно к лазерным гироскопам указанного второго типа заключается в приведении прибора в действие механически путем сообщения ему принудительного и известного движения, которое искусственно как можно чаще выводит гироскоп за пределы зоны нечувствительности.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание оптических устройств, необходимых для контроля нестабильности твердотельных лазеров с применением конкретных оптических приборов, устраняющих зону нечувствительности. Таким способом изобретение позволяет получить "полностью оптический" стабильный твердотельный лазер, не имеющий подвижных частей и зон нечувствительности.
В частности, изобретение относится к лазерному гироскопу для измерения скорости или углового положения относительно заданной оси вращения, содержащему по меньшей мере:
- кольцевой оптический резонатор,
- твердотельную активную среду,
- согласующее устройство, включающее по меньшей мере первый оптический блок, состоящий из первого линейного поляризатора, первого невзаимного вращателя плоскости поляризации и оптического элемента, представляющего собой взаимный вращатель плоскости поляризации или двулучепреломляющий элемент, с возможностью регулирования по меньшей мере одного из эффектов или двулучепреломления, и
- измерительный прибор,
отличающемуся тем, что указанный резонатор также содержит:
- второй оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины, второго невзаимного вращателя плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины, главные оси которой перпендикулярны главным осям первой четвертьволновой пластины,
вследствие чего в резонаторе в первом направлении может распространяться первая линейно поляризованная мода, а в противоположном направлении - вторая мода, линейно поляризованная параллельно первой, причем главные оси первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины повернуты относительно направлений линейной поляризации мод распространения излучения и перпендикулярны друг другу на угол 45°, а оптические частоты двух указанных мод различны.
Предпочтительно, чтобы резонатор имел второй линейный поляризатор, ось которого параллельна оси первого линейного поляризатора и который расположен таким образом, что оптический блок, состоящий из первого невзаимного вращателя плоскости поляризации и оптического элемента, находится между первым и вторым поляризаторами.
Изобретение относится также к лазерному гироскопу для измерения скорости или углового положения относительно заданной оси вращения, содержащему по меньшей мере:
- кольцевой оптический резонатор,
- твердотельную активную среду, и
- измерительный прибор,
отличающемуся тем, что резонатор также содержит:
- согласующее устройство, включающее по меньшей мере первый оптический блок, состоящий из первого линейного поляризатора и регулируемого невзаимного вращателя плоскости поляризации,
- второй оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины, второго невзаимного вращателя плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины, причем ось первой четвертьволновой пластины повернута относительно направления поляризации линейного поляризатора на угол, отличающийся от 45°, а ось второй пластины повернута относительно направления поляризации линейного поляризатора примерно на угол 45°,
вследствие чего в резонаторе в первом направлении может распространяться первая мода, а в противоположном направлении - вторая мода, причем оптические частоты этих двух мод различны.
Объектом изобретения является также система измерения скоростей или относительных угловых положений по трем разным осям, которая может содержать три предлагаемых в изобретении лазерных гироскопа, которые ориентированы в разных направлениях и смонтированы на общей механической конструкции.
Для лучшего понимания сущности изобретения и других его преимуществ ниже приведено описание изобретения, иллюстрирующее возможности его осуществления, не ограничивая их, и сопровождаемое прилагающимися чертежами, где:
на фиг.1 представлена общая схема лазерного гироскопа, предлагаемого в настоящем изобретении,
на фиг.2 представлен принцип работы взаимного вращателя плоскости поляризации,
на фиг.3 представлен принцип работы невзаимного вращателя плоскости поляризации,
на фиг.4 представлен принцип работы комбинации поляризатора, взаимного вращателя плоскости поляризации и невзаимного вращателя плоскости поляризации,
на фиг.5 представлен принцип работы блока, состоящего из первой четвертьволновой пластины, второго невзаимного вращателя плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины,
на фиг.6 представлена работа первого варианта лазерного гироскопа, предлагаемого в настоящем изобретении,
на фиг.7 представлена работа второго варианта лазерного гироскопа, предлагаемого в настоящем изобретении.
Предлагаемые в изобретении устройства должны выполнять две конкретные функции:
- согласовывать встречные моды по интенсивности,
- устранять зону нечувствительности.
Для выполнения названных функций устройства генерируют внутри резонатора две оптические моды на различных частотах. Первая мода распространяется внутри резонатора в первом направлении. Вторая мода распространяется в противоположном направлении.
Для получения разности частот и согласования интенсивности двух таких мод используют предлагаемый в настоящем изобретении лазерный гироскоп, показанный на фиг.1. Такой гироскоп главным образом содержит:
- кольцевой резонатор 1,
- твердотельную активную среду 2,
- измерительный прибор 6,
- согласующее устройство 3, включающее по меньшей мере первый оптический блок, состоящий из первого линейного поляризатора 7, первого невзаимного вращателя 6 плоскости поляризации и оптического элемента, которым в данном случае является взаимный вращатель (5) плоскости поляризации с возможностью регулирования по меньшей мере одного из его эффектов, при этом управление регулирующим воздействием этого вращателя плоскости поляризации показано на фиг.1 штрихпунктирными стрелками,
- второй оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины 8, второго невзаимного вращателя 9 плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины 10, главные оси которой перпендикулярны главным осям первой четвертьволновой пластины,
вследствие чего в резонаторе в первом направлении может распространяться первая линейно поляризованная мода, а в противоположном направлении - вторая мода, линейно поляризованная параллельно первой, причем главные оси первой четвертьволновой пластины и второй четвертьволновой пластины повернуты относительно направлений линейной поляризации мод распространения излучения на угол 45° и примерно перпендикулярны друг другу, а оптические частоты двух указанных мод различны.
Первый оптический блок включает взаимный вращатель 5 плоскости поляризации и невзаимный вращатель 6 плоскости поляризации. О вращении плоскости поляризации волны (оптическом вращении) говорят как о невзаимном, если в оптическом компоненте с такой характеристикой после отражения волны (прохождения и возврата) эффекты вращения плоскости поляризации суммируются. Такой оптический компонент называют невзаимным вращателем плоскости поляризации. Например, материал с эффектом Фарадея - это материал, в котором при воздействии на него магнитным полем происходит вращение плоскости поляризации проходящих через него лучей. Этот эффект не является взаимным. Следовательно, плоскость поляризации того же луча, проходящего в противоположном направлении, повернется в том же направлении. Данный принцип проиллюстрирован на фиг.3. Направления распространения показаны горизонтальными стрелками. Направление (плоскость) поляризации линейно поляризованного луча 101 при прохождении этого луча через компонент 6 на эффекте Фарадея в прямом направлении (верхняя схема на фиг.3) поворачивается на угол β. Если через компонент на эффекте Фарадея снова пропустить такой же луч 102, направление (плоскость) поляризации которого ранее было повернуто на угол β и который распространяется в обратном направлении, направление (плоскость) его поляризации снова повернется на угол β, при этом суммарный угол поворота после отражения составит 2β (нижняя схема на фиг.3).
В традиционном взаимном вращателе 5 плоскость поляризации при распространении в прямом направлении направление (плоскость) поляризации луча 101 поворачивается на угол +α, а при распространении в обратном направлении направление поляризации луча 102 поворачивается на угол -α, в результате чего направление поляризации возвращается к исходному, как это проиллюстрировано на схемах, показанных на фиг.2.
На фиг.4 показана работа первого оптического блока.
2
2
В резонаторе типа используемого в изобретении встречные моды в естественных состояниях линейно поляризованы вдоль оси, параллельной оси поляризатора 7. При распространении в прямом направлении первая оптическая мода 101 сначала проходит через взаимный вращатель 5, затем через первый невзаимный вращатель 6 и, наконец, через поляризатор 7. Соответственно при прохождении через первый вращатель 5 направление ее поляризации поворачивается на угол α, а после прохождения через вращатель 6 - на угол α+β. Таким образом, при прохождении через поляризатор 7 коэффициент затухания моды составит cos(α+β). Вторая оптическая мода, распространяющаяся в противоположном направлении, сделав полный обход резонатора, также ослабляется поляризатором 7. Можно доказать, что этот второй коэффициент затухания равен cos(α-β). Следовательно, коэффициенты затухания мод различаются в зависимости от направления их распространения, а затухание напрямую зависит от значительности эффектов воздействия на поляризацию обеих мод. Итак, интенсивностью встречных мод можно управлять, регулируя по меньшей мере одну из двух величин α или β за счет воздействий, испытываемых поляризацией этих мод при прохождении через согласующее устройство. Таким образом, интенсивность излучения различных мод согласуют друг с другом, приводя к некоторому постоянному значению.
На фиг.5 проиллюстрирована работа второго оптического блока. Когда линейно поляризованная оптическая мода 101 (правая стрелка на фиг.5) проходит через первую четвертьволновую пластину 8, то если главная ось этой фазовой пластины, обозначенная двойной стрелкой, повернута относительно направления поляризации на угол 45°, на выходе мода имеет правую круговую поляризацию (сплошная полукруглая стрелка на фиг.7). При прохождении такой волны с круговой поляризацией через второй оптический невзаимный вращатель 9 плоскости поляризации эта волна претерпевает невзаимный фазовый сдвиг d. Затем вторая четвертьволновая пластина 10, главная ось которой перпендикулярна главной оси первой четвертьволновой пластины, снова преобразует ее в волну с линейной поляризацией. Тем самым в моду, проходящую через такой второй оптический блок, вводят невзаимный фазовый сдвиг (разность фаз), сохраняя линейную поляризацию волны.
Таким образом, при помощи описанных устройств внутри резонатора можно генерировать две моды, проходящих в двух противоположных направлениях, осуществлять их управляемое ослабление с поддержанием их интенсивности на одинаковом уровне, а также вводить в такие моды взаимный и невзаимный фазовый сдвиг. Для определения собственных (нормальных) мод и их частот используют набор матриц Джонса. В общем случае этот метод заключается в представлении влияния того или иного компонента на моду распространения оптического излучения посредством матрицы 2×2, отнесенной к плоскости, перпендикулярной направлению распространения оптических мод.
Для получения результирующего влияния всех внутрирезонаторных компонентов нужно лишь определить естественные состояния произведения различных матриц, представляющих эти компоненты. Поскольку такое произведение необязательно является коммутативным, матрица может изменяться в зависимости от направления распространения луча.
Матрицы различных оптических элементов, имеющихся в резонаторе, приведены ниже.
+
Матрица R(α) взаимного вращателя, пересекаемого в первом направлении вращения, называемом прямым направлением, имеет вид:
+
Матрица R(α) взаимного вращателя, пересекаемого во втором направлении вращения, называемом обратным направлением, имеет вид:
Матрица F(β) невзаимного вращателя не зависит от направления распространения и имеет вид:
Матрица Р поляризатора имеет вид:
1
Матрица L четвертьволновой пластины, повернутой на угол 45°, имеет вид:
2
Матрица L четвертьволновой пластины, повернутой на угол 135°, имеет вид:
+
-
Матрицы М и М, представляющие все имеющиеся в резонаторе оптические устройства для мод, распространяющихся в прямом направлении и обратном направлении, можно получить простым перемножением:
то есть
и
+
-
Знание матриц М и М помогает определить естественные состояния оптических мод, которые могут распространяться в резонаторе. В каждом направлении распространения существует естественное состояние, выраженное натуральным, не равным нулю числом со знаком (+) и (-).
Модуль (+) и (-) меняется вместе с направлением распространения, так что, регулируя один из двух коэффициентов α или β, можно согласовывать встречные моды по интенсивности с приведением последней к постоянному значению.
Если лазерный гироскоп не вращается, частота ν оптической моды в кольцевом лазерном резонаторе длиной L обычно связана с фазовым сдвигом φ, испытываемым этой модой после каждого обхода резонатора, следующим отношением:
где n - целое число, а с - скорость света.
Две моды смещены относительно друг друга на угол 2d, поэтому разность частот Δν между модами определяется выражением:
Следовательно, если эта разность достаточно велика, взаимодействия двух мод (+) и (-) не происходит. Выбор значения Δν определяется требуемым рабочим диапазоном лазерного гироскопа.
Чтобы обеспечить выполнение данного условия, достаточно задать соответствующие оптические и геометрические параметры невзаимных вращателей.
s
Если резонатор поворачивается, в результате эффекта Саньяка собственные частоты сдвигаются на частоту ±Ω/2, знак которой зависит от направления распространения мод. В этом случае разность частот Δν равна:
s
При известной Δν, которая зависит только от известных параметров, и Δν, которую измеряют, получают частоту биений Ω для определения угловой скорости вращения. Подсчитывая при помощи электронных счетчиков обусловленные биениями интерференционные полосы, перемещающиеся во время изменения углового положения, также с высокой точностью получают относительное значение углового положения.
s
Различные операции, направленные на определение разности частот Δν, выполняют при помощи измерительного прибора, в качестве которого могут выступать:
- оптические устройства, вызывающие интерференцию первой моды со второй,
s
- оптоэлектронные устройства, определяющие разность оптических частот Δν первой и второй мод распространения излучения,
- электронные устройства для получения разности частот, обусловленной биением Ω, или подсчета сигналов интерференционных полос, обусловленных биением.
Юстировка четвертьволновых пластин по их оптическим осям может быть неточной. В этом случае разность частот встречных мод включает ложные составляющие, связанные с невзаимными эффектами, способными повлиять на результаты измерений. На фиг.6 показан несложный способ решения данной проблемы. Резонатор имеет второй поляризатор 12, ось которого параллельна оси первого поляризатора. Таким образом, оптический блок, состоящий из первого невзаимного вращателя плоскости поляризации и оптического элемента, находится между первым и вторым поляризаторами.
В этом случае, если оси четвертьволновых пластин точно выставлены под углом 45° к осям поляризаторов, матрицы Джонса такой новой конфигурации можно записать, используя приведенную выше систему обозначений, в следующем виде:
то есть
и
Очевидно, что моды распространения излучения имеют такие же частоты и модули, что и ранее.
Если же юстировка четвертьволновых пластин нарушена, угол между осью первой четвертьволновой пластины и осью поляризаторов обозначим через ϕ:
где θ - угол разъюстировки.
3
Тогда можно показать, что матрица Джонса L(ϕ), соответствующая этой четвертьволновой пластине, имеет вид:
В этом случае матрицы Джонса имеют вид:
то есть
и
Как показано выше, нарушение юстировки является причиной дополнительного фазового сдвига. Вместе с тем, поскольку такой фазовый сдвиг одинаков у обеих встречных мод, он не влияет на относительную разность фаз встречных мод, которая остается равной d. Нарушение юстировки также влечет за собой дополнительные потери при распространении. Однако если угол разъюстировки θ мал, такие потери не сказываются на согласовании мод.
Следовательно, включением в резонатор второго поляризатора 12 достигается устранение ложные эффекты, вызванные нарушением юстировки четвертьволновых пластин, что обеспечивает полную независимость устройства регулирования интенсивности и смещения, вводимого фазосдвигающим устройством.
Четвертьволновые пластины представляют собой взаимные оптические компоненты. Таким образом, можно создать, как это показано на фиг.7, резонатор с согласующим устройством, включающим по меньшей мере:
- первый оптический блок, состоящий из первого линейного поляризатора 7 и регулируемого невзаимного вращателя 6 плоскости поляризации, причем в этой конфигурации взаимный вращатель плоскости поляризации не требуется,
- второй оптический блок, состоящий из последовательно расположенных первой четвертьволновой пластины 8, второго невзаимного вращателя 9 плоскости поляризации и второй четвертьволновой пластины 10, причем ось первой четвертьволновой пластины 8 повернута относительно направления поляризации линейного поляризатора на угол ϕ, где ϕ=π/4+θ, а θ отличен от 0, а ось второй четвертьволновой пластины 10 повернута относительно направления поляризации линейного поляризатора примерно на угол 45° и относительно оси первой четвертьволновой пластины 8 примерно на угол 90°.
3
Матрица Джонса L(ϕ), соответствующая первой четвертьволновой пластине, известна. При помощи той же системы обозначений, что была приведена выше, матрицы Джонса для данной конфигурации записывают в следующем виде:
Можно доказать, что первая матрица может иметь натуральное значение:
и что вторая матрица может иметь натуральное значение:
Следовательно, при такой оптической конфигурации модуляция интенсивности мод и фазовый сдвиг различаются по направлению распространения моды. Таким образом, используя на один оптический компонент меньше, фактически обеспечивают такой же эффект, что и в первом варианте осуществления изобретения.
В этих двух вариантах невзаимный вращатель может представлять собой фарадеевский вращатель со стержнем из такого материала, как гадолиний-тербиевый гранат (ГТГ) или алюмоиттриевый гранат (АИГ). Стержень помещают в магнитное поле магнита с целью создания постоянного невзаимного эффекта или соленоида с целью создания переменного эффекта, регулируемого следящей системой. Предпочтительно, при постоянном смещении с целью ограничения колебаний применяют материал в состоянии насыщения.
Взаимный вращатель может представлять собой оптически активный элемент. Вместо него также может использоваться волновая пластина или второй поляризующий оптический элемент. Его функции также реализуют за счет применения неплоского резонатора с особым расположением зеркал, при котором не происходит распространение оптических лучей в определенной плоскости. Эффект вращателя может быть постоянным или регулируемым, и в последнем случае им управляет следящая система (заявка 0303645).
Естественным образом, из нескольких предлагаемых в изобретении лазерных гироскопов можно собрать систему измерения угловых скоростей или относительных угловых положений по трем различным осям, содержащую, например, три лазерных гироскопа, смонтированных на общей механической конструкции.