УСТРОЙСТВО ИЗМЕРЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТА ПОГЛОЩЕНИЯ СВЕТА В ЗЕРКАЛАХ КОЛЬЦЕВОГО РЕЗОНАТОРА

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в системах контроля параметров зеркал кольцевых резонаторов (КР), в частности, коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.
В качестве чувствительных элементов лазерных гироскопов (ЛГ) широко используются кольцевые He-Ne лазеры с длиной волны 632.8 нм. В кольцевом лазере (КЛ) генерируют волны во встречных направлениях (по часовой стрелке и против часовой стрелки), разностная частота которых пропорциональна угловой скорости вращения КЛ. Точностные и эксплуатационные характеристики ЛГ определяются, главным образом, качеством зеркал КР. В ЛГ используются зеркала с многослойным диэлектрическим покрытием, обладающие малой величиной потерь световой волны, отраженной от ее поверхности. Перед сборкой и юстировкой кольцевых резонаторов, осуществляется отбор зеркал, который включает в себя измерения коэффициентов пропускания (Т) и интегрального рассеяния света (S), а также величину общих потерь, вносимых зеркалом в кольцевой резонатор (L). Эти измерения позволяют определить величину коэффициента поглощения (А) света многослойным диэлектрическим покрытием зеркала, используя соотношение для общего баланса потерь L=T+S+A.
Обычно коэффициент пропускания Т измеряется путем сравнения интенсивностей падающего и прошедшего через зеркало лазерного излучения, коэффициент интегрального рассеяния S измеряется, например, при помощи интегрирующей сферы [H. Nasibov, I. Mamedbeili, D. Riza, E. Balaban, F. Nacizade, "High-precision measurements of reflectance, transmittance, and scattering at 632.8 nm", Proc. of SPIE vol. 8433, 843313-1, 2012]. Эти измерения основаны на сравнении интенсивностей лазерного излучения, рассеянного зеркалом и калиброванным рассеивателем с известными светотехническими характеристиками. При определении величины потерь А используются результаты измерений суммарных потерь кольцевого резонатора, в состав которого включено измеряемое зеркало. При измерении потерь КР в настоящее время широко используется два метода измерения. Один из них основан на измерении времени затухания собственного колебания КР. Другой - на измерении ширины резонанса интенсивности.
Известно техническое решение [В.В. Азарова, Н.А. Ефремова. Комплексный метод измерения потерь и усиления в активных и пассивных кольцевых лазерных резонаторах. Квантовая электроника. 32, №3 (2002), стр. 241, рис. 2], содержащее последовательно соединенные зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера и акустооптический модулятор, оптически соединенный с входом кольцевого оптического резонатора, а также последовательно соединенные фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом измеряемого кольцевого оптического резонатора, аналого-цифровой преобразователь и вычислительный блок.
Недостатком этого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, хотя оно и позволяет измерить общие потери в кольцевых лазерных резонаторах, но не позволяет определить коэффициент поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.
Известно также устройство [RU 141306, U1, G01C 19/68, 27.05.2014], которое содержит зондирующий лазер с блоком управления зондирующего лазера, вычислительный блок, последовательно соединенные первый фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого, и первый аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен с первым входом вычислительного блока, образцовый кольцевой оптический резонатор, одно зеркало которого оснащено пьезокерамическим двигателем с блоком управления пьезокерамическим двигателем, последовательно соединенные второй фотоприемник, вход которого оптически соединен с выходом образцового кольцевого оптического резонатора, и второй аналого-цифровой преобразователь, выход которого соединен со вторым входом вычислительного блока, а также оптический разделитель, вход которого оптически соединен с выходом зондирующего лазера, а первый и второй выходы оптически соединены, соответственно, со входом образцового кольцевого оптического резонатора и кольцевого оптического резонатора, используемого в качестве измеряемого.
Недостатком этого технического решения также является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, оно не позволяет определить коэффициент поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.
Наиболее близким к предлагаемой полезной модели является устройство [С.Е. Коршунов, Н.В. Тихменев. Измерение потерь прецизионных зеркал кольцевых лазеров. Мир Авионики. №6, 2012, стр. 31], содержащее последовательно установленные в углах оптического контура и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало, оптически соединенное с зондирующим лазером, второе рабочее зеркало, образцовое зеркало и измеряемое зеркало, а также первый фотоприемник, установленный за вторым рабочим зеркалом на оптической оси между первым и вторым рабочими зеркалами, и второй фотоприемник, установленный за образцовым зеркалом на оптической оси между вторым рабочим и образцовым зеркалами.
Это устройство позволяет определять не только парциальный вклад измеряемого зеркала в величину общих потерь L, но и, используя результаты измерений величин Т и S, определять значение его коэффициента поглощения А. При этом, при измерении потерь используется кольцевой резонатор, в котором внутренние апертуры не вносят заметных дифракционных потерь.
Основным недостатком наиболее близкого технического решения является относительно невысокая точность измерения коэффициента поглощения, что обусловлено тем, что используемые зеркала имеют отдельные точечные дефекты. Неоднородности зеркал слабо влияют на величину их коэффициента пропускания Т, однако величина S не остается неизменной при перемещении лазерного пучка по поверхности зеркала. Относительное изменение величины S определяется плотностью и размерами точечных дефектов и может достигать десятков процентов. В связи с тем, что потери и коэффициент интегрального рассеяния измеряются на различных участках поверхности зеркала, появляются существенные погрешности в определении величины поглощения А измеряемого зеркала.
Задача, которая решается в предложенной полезной модели, заключается в повышении точности путем уменьшения влияния на погрешность измерений неоднородности поверхности измерительного зеркала.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что, в устройство, содержащее последовательно установленные в углах оптического контура и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало, оптически соединенное с зондирующим лазером, второе рабочее зеркало, образцовое зеркало и измеряемое зеркало, а также первый и второй фотоприемники, согласно полезной модели, введены третий фотоприемник, установленный перед измерительным зеркалом, за которым на оптической оси между первым рабочим зеркалом и измерительным зеркалом установлен первый фотоприемник, и четвертый фотоприемник, установленный перед образцовым зеркалом, за которым на оптической оси между измерительным зеркалом и образцовым зеркалом установлен второй фотоприемник.
На чертеже представлены:
на фиг. 1 - оптическая функциональная схема устройства измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора;
на фиг. 2 - пример блок-схемы установки для измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора;
на фиг. 3 - графики, поясняющие работу устройства измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора.
Устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора содержит последовательно установленные в углах оптического контура 1 и образующие кольцевой резонатор первое рабочее зеркало 2, оптически соединенное с зондирующим лазером (на фиг. 1 не показан), второе рабочее зеркало 3, образцовое зеркало 4 и измеряемое зеркало 5.
Кроме того устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора содержит первый 6 и второй 7 фотоприемники, а также третий фотоприемник 8, установленный перед измерительным зеркалом 5, за которым на оптической оси между первым рабочим зеркалом 2 и измерительным зеркалом 5 установлен первый фотоприемник 6, и четвертый фотоприемник 9, установленный перед образцовым зеркалом 4, за которым на оптической оси меду измерительным зеркалом 5 и образцовым зеркалом 4 установлен второй фотоприемник 7.
На фиг. 2 на блок-схеме установки для измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора дополнительно обозначены: 10 - зондирующий лазер (ЗЛ), например, He-Ne лазер с длиной волны 632.8 нм, 11 - пьезоэлектрический корректор, 12 - блок управления, 13 - блок измерения параметров сигналов фотоприемников.
6
7
9
9
На фиг. 3 указаны максимумы интенсивностей на выходах первого I, второго I, третьего I и четвертого I фотоприемников, соответственно.
Работает устройство измерения коэффициента поглощения света в зеркалах кольцевого резонатора следующим образом.
При возбуждении с помощью зондирующего лазера собственного колебания в кольцевом резонаторе (частотой генерации зондирующего лазера 10 управляют при помощи пьезоэлектрического корректора 11), образованного последовательно установленными в углах оптического контура 1 первым рабочим зеркалом 2, вторым рабочим зеркалом 3, образцовым зеркалом 4 и измеряемым зеркалом 5, наблюдается четыре резонанса интенсивности I (фиг. 3), амплитуды которых описываются следующими соотношениями:
7
6
0
9
8
0
I=TI/T, I=SI/S,
7
6
9
8
0
0
где: I - амплитуда интенсивности волны, выходящей из измеряемого зеркала, I - амплитуда интенсивности волны, выходящей из образцового зеркала, I - амплитуда интенсивности рассеянного излучения измеряемого зеркала, I - амплитуда интенсивности рассеянного излучения образцового зеркала, Т - коэффициент пропускания образцового зеркала, Т - коэффициент пропускания измеряемого зеркала, S - коэффициент интегрального рассеяния образцового зеркала, S - коэффициент интегрального рассеяния измеряемого зеркала.
При выводе последнего соотношения предполагалось, что третий 8 и четвертый 9 фотоприемники имеют одинаковые апертуры и чувствительности при регистрации резонансов интегрального рассеяния.
6
7
8
9
0
0
Как следует из представленных соотношений, измерения амплитуд четырех резонансов интенсивности (первого I, второго I, третьего I и четвертого I фотоприемников), позволяют контролировать величины пропускания и интегрального рассеяния измеряемого зеркала 5 в одной и той же области поверхности. Значения параметров Т и S можно рассматривать в качестве калибровочных, реперных значений при определении параметров Т и S. Кроме того, измеренные значения потерь Т кольцевого резонатора можно использовать при определении величины поглощения А измеряемого зеркала 5. При таком подходе удается избежать погрешностей, связанных с неоднородностью его поверхности, что позволяет достичь требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности.