ОПТИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ ИЗЛУЧЕНИЯ ЧЕТЫРЕХЧАСТОТНОГО ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА ЗЕЕМАНОВСКОГО ТИПА
OPTICAL MIXER OF RADIATION OF FOUR-FREQUENCY LASER GYROSCOPE OF ZEEMAN TYPE

Изобретение относится к области высокоточной лазерной гироскопии, а именно к детектированию сигналов четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа.
Основная физическая величина, измеряемая в лазерных гироскопах - угловая скорость вращения. Для измерения угловой скорости вращения получают и считывают на фотоприемнике интерференционную картину от двух встречных волн.
В четырехчастотных лазерных гироскопах в каждом из направлений обхода резонатора распространяются по две волны с различными частотами. Как следствие, возможно получение и детектирование интерференционных картин от двух пар волн, что реализовано в системе обработки выходной информации многочастотного лазерного гироскопа [1]. Четырехчастотный режим работы лазерного гироскопа дает преимущество перед двухчастотным, так как существенно компенсирует влияние магнитного поля на ошибки измерений.
Недостатком системы обработки выходной информации многочастотного лазерного гироскопа [1] является неполная компенсация магнитной составляющей ошибки измерений, так как магнитная чувствительность двух пар интерферирующих волн может различаться, что не учтено.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является оптический смеситель излучения для формирования сигнала четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа, отличающийся от существующих оптических смесителей компенсацией магнитной составляющей ошибки измерений с учетом различия магнитной чувствительности волн различных поляризаций.
Технический результат достигается тем, что оптический смеситель излучения четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа, содержащий две призмы из оптически прозрачного материала, разделенные полупрозрачным делительным покрытием, имеющие на двух выходных гранях частично отражающие, частично пропускающие покрытия, а также первый фотоприемник для детектирования интерференционной картины волн левой круговой поляризации, второй фотоприемник для детектирования интерференционной картины волн правой круговой поляризации, третий фотоприемник для детектирования интерфереционной картины волн разных круговых поляризаций, распространяющихся в резонаторе по часовой стрелке, четвертый фотоприемник для детектирования интерференционной картины волн разных круговых поляризаций, распространяющихся в резонаторе против часовой стрелки, предназначенный для повышения точности измерения угловой скорости вращения четырехчастотным лазерным гироскопом зеемановского типа с учетом различной магнитной чувствительности волн левой и правой круговых поляризаций.
В системе обработки выходной информации многочастотного лазерного гироскопа [1] используются два фотоприемника - по одному на каждую пару волн одинаковой круговой поляризации. В предлагаемом изобретении устанавливаются дополнительные фотоприемники для двух пар волн с одинаковым направлением обхода резонатора, что позволяет получить дополнительные данные для уточнения угловой скорости вращения.
Данное решение имеет два препятствия: получение интерференционной картины волн эллиптической поляризации с противоположным направлением вращения вектора напряженности электрического поля и высокая разностная частота интерферирующих волн.
Первое препятствие преодолевается применением линейного поляризатора. Результат сведения двух волн эллиптической поляризации с противоположным направлением вращения вектора напряженности электрического поля - картина суммарного поля с меняющимся в пространстве направлением линейной поляризации излучения [2]. Пропускание полученной картины поля через линейный поляризатор приводит к меняющейся интенсивности излучения (закон Малюса) и возможности детектирования фотоприемником.
Второе препятствие преодолевается применением высокочастотных фотоприемников, а также соответствующей электроники.
Введены обозначения:
0
v - центр линии усиления;
1
v - смещение частот изломом контура резонатора или внесением в резонатор оптического ротатора;
2
2
Z
z
v+βH - смещение частот зеемановской магнитооптической подставкой (v=βH, где β - магнитная чувствительность, H - напряженность продольной компоненты магнитного поля зеемановской магнитооптической подставки) и внешним продольным магнитным полем напряженности Н;
kΩ, - смещение частот вращением с угловой скоростью Ω вокруг оси чувствительности.
На фиг. 1 изображено смещение частот генерируемых четырехчастотным лазерным гироскопом волн в результате излома контура резонатора или внесения в резонатор оптического ротатора.
На фиг. 2 изображено смещение частот генерируемых четырехчастотным лазерным гироскопом волн в результате наложения поля зеемановской магнитооптической подставки и внешнего магнитного поля.
На фиг. 3 изображено смещение частот генерируемых четырехчастотным лазерным гироскопом волн в результате вращения вокруг оси чувствительности.
На фиг. 4 изображен ход лучей в оптическом смесителе и расположение фотоприемников.
Расщепление моды генерации кольцевого лазера на две частоты (фиг. 1) может быть получено двумя способами: внесением в резонатор оптического ротатора излучения [3], применением непланарного резонатора [4].
Дальнейшее расщепление на четыре частоты (фиг. 2) возможно также двумя способами: внесением в контур резонатора ячейки Фарадея [1], реализацией зеемановской магнитооптической частотной подставки [3]. В предлагаемом изобретении используется второй вариант. Поэтому предлагаемый оптический смеситель излучения предназначен для четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа.
В четырехчастотном лазерном гироскопе зеемановского типа имеет место одновременная генерация волн четырех различных частот: две волны левой круговой поляризации, распространяющиеся во встречных направлениях; две волны правой круговой поляризации, распространяющиеся во встречных направлениях.
Когда четырехчастотный лазерный гироскоп вращается вокруг оси чувствительности, все четыре частоты смещаются. При этом расположение частот в спектре приводит к тому (фиг. 3), что волны одной круговой поляризации сближаются по значениям частот, а волны другой - разносятся.
Введены обозначения: ЛКП - волна левой круговой поляризации, ПКП - волна правой круговой поляризации, CW - волна, распространяющаяся в резонаторе по часовой стрелке, CCW - волна, распространяющаяся в резонаторе против часовой стрелки. Под полупериодом работы зеемановской магнитооптической частотной подставки далее подразумевается время, в течение которого вектор напряженности создаваемого магнитного поля имеет постоянное направление. В положительный и отрицательный полупериоды работы создается магнитное поле с противоположным направлением вектора напряженности. В четырехчастотном лазерном гироскопе генерируются волны следующих частот:
а) в положительном полупериоде работы зеемановской магнитооптической подставки:Equation Section (Next)
б) в отрицательном полупериоде работы зеемановской магнитооптической подставки:
Оптическим смесителем сводятся волны одинаковых круговых поляризаций. После прохождения выходного зеркала 1 четырехчастотного лазерного гироскопа (фиг. 4), лучи JlKП.CW, ЛКП.ССW, ПКП.ССW и ПКП.CW имеют эллиптические поляризации, так как коэффициенты пропускания выходным зеркалом р- и s-компонент излучения отличаются. Восстановление круговой поляризации происходит при отражении от компенсирующих покрытий П1. На полупрозрачном покрытии П2 встречные лучи смешиваются. Четвертьволновые пластинки 2 преобразуют излучение круговых поляризаций в излучение скрещенных линейных поляризаций. Линейные поляризаторы 3 ориентируют таким образом, что на один фотоприемник 4 поступает излучение, полученное из ЛКП.СW, ЛКП.CCW лучей, на другой фотоприемник 4 поступает излучение, полученное из ПКП.ССW и ПКП.CW лучей. Угол схождения лучей на фотоприемниках определяется взаимным расположением симметричных призм 5 оптического смесителя. В результате интерференции формируются сигналы разностных частот.
За положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической подставки длительностью Т/2 количество импульсов биений на фотоприемниках:
За отрицательный полупериод:
Измеренная угловая скорость вращения определяется выражением, не содержащим компонент, связанных с магнитным полем и смещением, вызванным расщеплением частот генерации:
В предлагаемом изобретении реализуется дополнительное повышение точности четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа, так как учитываются не только сигналы, полученные от волн одинаковой поляризации, но и сигналы, полученные от волн с одинаковым направлением обхода контура резонатора. Для этого на верхние грани призм 5 (фиг. 4) помещены два дополнительных фотоприемника 6. Покрытия П1 пропускают наружу лучи эллиптической поляризации, что вызвано различием коэффициентов пропускания р- и s-компонент излучения. Результатом дальнейшего наложения полей от волн левой и правой эллиптических поляризаций является линейно поляризованное излучение, причем в поперечном сечении луча имеет место изменение направления поляризации по мере удаления от оси к периферии - направление поляризации вращается с постоянным пространственным периодом [2]. Далее луч проходит через линейные поляризаторы 8, которые пропускают часть линейно поляризованного излучения в соответствии с законом Малюса, что приводит к прохождению луча с периодически меняющейся в поперечном сечении интенсивностью. Далее происходит считывание сигнала интенсивности фотоприемниками 6, что полностью эквивалентно детектированию интерференционной картины. Шаг интерференционной картины может быть регулирован углом схождения волн левой и правой эллиптических поляризаций. Небольшой угол схождения создается анизотропным элементом 7 из оптически активного материала [5]. Выбор материала определяет угол схождения.
За положительный полупериод работы зеемановской магнитооптической подставки длительностью Т/2 количество импульсов биений на дополнительных фотоприемниках:
За отрицательный полупериод:
Съем этих дополнительных данных позволяет выделить в отдельности величину всех частотных смещений:
Таким образом, в первом приближении могут быть определены:
1. смещение частот, вызванное изломом резонатора или внесением в резонатор оптического ротатора,
2. смещение частот, вызванное зеемановской магнитооптической подставкой,
3. смещение частот, вызванное внешними магнитными полями, что может быть использовано при построении математической модели компенсации ошибок четырехчастотного лазерного гироскопа зеемановского типа.
В следующем приближении представляется возможным учесть, что ЛКП и ПКП волны могут иметь различные магнитные чувствительности. В этом случае частоты генерируемых волн имеют вид:
а) в положительном полупериоде работы зеемановской магнитооптической подставки:
б) в отрицательном полупериоде работы зеемановской магнитооптической подставки:
Различие магнитных чувствительностей ЛКП и ПКП волн приводит к тому, что измеряемая угловая скорость вращения зависит от внешнего магнитного поля:
Для компенсации предлагается воспользоваться тем, что:
Таким образом, значение угловой скорости с учетом разных магнитных чувствительностей ЛКП и ПКП полн:
С помощью оптического смесителя излучения с избыточным количеством фотоприемников получено уточнение значения угловой скорости вращения, измеряемой четырехчастотным лазерным гироскопом зеемановского типа, с учетом различия магнитной чувствительности ЛКП и ПКП волн.
Источники:
1. Multioscillator ring laser gyro output information processing system, US 4123162 A.
2. Прохоров А.М. Физическая энциклопедия. Том 4. 1994. С. 53-54.
3. Zeeman multioscillator ring laser gyro insensitive to magnetic fields and detuning frequencies, US 4475199 A.
4. Electromagnetic wave ring resonator, US 4482249 A.
5. Патент РФ №2676835 «Оптический смеситель излучения с применением призм из оптически активных материалов», опубл. 11.01.2019. Бюл. №2