Способ юстировки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов
LASER GYRO RING RESONATOR ADJUSTMENT METHOD

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в лазерной гироскопии при юстировке кольцевых резонаторов (КР) лазерных гироскопов (ЛГ) по величине порога зоны нечувствительности (порога захвата) и значениям нелинейных искажений масштабного коэффициента.
Предлагаемый способ относится к области лазерных гироскопов на основе кольцевых He-Ne лазеров с длиной волны 633 нм, используемых для решения многих задач навигации, измерения угловых перемещений, геодезии и геофизики.
Одним из основных источников погрешности ЛГ является обратное рассеяние (ОР) на зеркалах кольцевого резонатора, приводящее к появлению зоны нечувствительности при малых скоростях вращения (так называемый порог захвата) и нелинейным искажениям масштабного коэффициента [F. Aronowitz. Optical Gyros and their Applications. RTO AGARDograph 339, 3-1, 1999].
В лазерных гироскопах широко используются кольцевые резонаторы моноблочной конструкции, корпусы которых изготавливаются из материалов с ультранизким значением коэффициента температурного расширения (например, из ситалла или Zerodure). Зеркала резонатора прикрепляются к корпусу при помощи так называемого оптического контакта, позволяющего обеспечить не только механическое сцепление, но и надежное вакуумное уплотнение. Установка зеркал на корпусе резонатора предваряется процессом юстировки, в задачу которого входит получение оптимальных рабочих параметров лазерного гироскопа. К этим параметрам относятся, прежде всего, величина суммарных потерь основной моды резонатора и уровень селективности потерь относительно мод высшего порядка.
Задача юстировки подобных лазерных гироскопов состоит, в частности, в том, чтобы в нем устойчиво генерировала основная мода при заданном уровне мощности.
Однако при таком способе юстировки величина порога захвата (ПЗ) оказывается практически непредсказуемой. При сборке большого количества ЛГ из зеркал, одинаковых по качеству (коэффициенту интегрального рассеяния), величина порога захвата может варьироваться случайным образом в очень большом диапазоне. Отношение максимального и минимального значений ПЗ может превышать более 10-30 раз. Это является критичным для практического использования лазерных гироскопов. Поэтому возникает задача увеличения точности прогнозирования величины ПЗ, которая может быть достигнута путем юстировки.
Известен способ юстировки гироскопов [RU 2036433 C1, G01C25/00, 27.05.1995], заключающийся в определении фазы гармонической составляющей сигнала относительно метки на роторе и компенсации фазы путем формирования на рабочей поверхности ротора датчика угла макронеровностей.
Недостатком способа является относительно узкая область применения, что не позволяет в процессе юстировки повысить точность прогнозирования величины полосы захвата.
Наиболее близким к предлагаемому изобретению является способ юстировки кольцевых резонаторов [US 4884283 А, 372/107, 372/94, 356/469, 20.12.1988], заключающийся в том, что в юстируемом кольцевом резонаторе при помощи излучения внешнего He-Ne лазера с длиной волны 633 нм возбуждают собственное колебание в одном из направлений по оптическому периметру кольцевого резонатора и по результатам измерения интенсивности обратного рассеяния определяют вклад юстируемого зеркала в полосу захвата кольцевого резонатора, а поворотом зеркал вокруг своей оси добиваются такого положения, при котором в обратном направлении попадает темное пятно спекл структуры волны кольцевого резонатора, представляющего собой сложную структуру ярких и темных пятен, для получения минимального значения полосы захвата кольцевого резонатора.
При этом предполагается, что между интенсивностью обратного рассеяния и порогом захвата существует прямая корреляционная связь. Однако проведенные эксперименты показали, что такая корреляционная связь является незначительной или полностью отсутствует, что приводит к значительным погрешностям при прогнозировании величины порога захвата кольцевого резонатора.
Задача, решаемая в изобретении, направлена на повышение точности юстировки кольцевого резонатора по минимуму величины его порога захвата.
Требуемый технический результат заключается в повышении точности юстировки кольцевого резонатора (КР) по минимуму величины его порога захвата (ПЗ).
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в юстируемом кольцевом резонаторе возбуждают собственные колебания и последовательно проводят юстировку каждого из зеркал кольцевого резонатора, при которой передвигают юстируемое зеркало в плоскости оптического контура кольцевого резонатора, одновременно с этим измеряют интенсивность выходящего из кольцевого резонатора излучения и оценивают величину вклада юстируемого зеркала в порог захвата кольцевого резонатора, после чего ориентируют окончательно юстируемое зеркало в положении, соответствующем минимальному значению величины вклада юстируемого зеркала в порог захвата кольцевого резонатора, согласно изобретению в юстируемом кольцевом резонаторе собственные колебания возбуждают во встречных направлениях, юстируемое зеркало в плоскости оптического контура кольцевого резонатора передвигают на расстояние одной длины волны излучения, интенсивность выходящего из кольцевого резонатора излучения измеряют для волн, возбужденных во встречных направлениях, а вклад юстируемого зеркала в порог захвата кольцевого резонатора определяют по величине контрастов интерференционных картин полей волн, выходящих из кольцевого резонатора, и фазового сдвига между экстремумами интерференционных картин.
На чертежах представлены:
на фиг. 1 - оптическая функциональная схема установки для юстировки кольцевого резонатора по минимуму его порога захвата, в которой может быть реализован предложенный способ юстировки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов;
на фиг. 2 - оптическая схема перемещения юстируемого зеркала вдоль контактной поверхности моноблочного корпуса кольцевого резонатора;
на фиг. 3 - временные зависимости интенсивностей встречных волн при перемещении юстируемого зеркала вдоль контактной поверхности моноблочного корпуса кольцевого резонатора.
Установка для юстировки кольцевого резонатора по минимуму его порога захвата (фиг. 1) содержит: 1 - зондирующий He-Ne лазер с длиной волны 632.8 нм, 2 - пьезоэлектрический корректор, 3 - моноблочный корпус кольцевого резонатора, 4 - фотоприемник, 5 - блок стабилизации частоты, 6, 7, 8, 9 - зеркала кольцевого резонатора, 10, 15, 16 - полупрозрачные пластины, 11 - фотоприемник, 12 - измеритель интенсивности обратного рассеяния, 13 - компьютер, 14 - устройство-манипулятор для юстировки зеркал, 17 - поворотное зеркало, 18 - оптический изолятор.
Приведем теперь теоретическое описание предлагаемого способа юстировки.
Для определения парциального вклада юстируемого зеркала в полосу захвата кольцевого резонатора оно передвигается вдоль контактной поверхности моноблочного корпуса (в плоскости оптического контура кольцевого резонатора, см. фиг. 1) на расстояние около λ (длины волны лазерного излучения).
cw
ccw
cw
ccw
При таком способе перемещения зеркала в интенсивностях волн, выходящих из КР, наблюдаются изменения, связанные с интерференцией полей собственных колебаний и полей обратного рассеяния. Величина контрастов интерференционных картин прямо пропорциональна модулям соответствующих коэффициентов связи (r и r), а сдвиг между их экстремумами определяется величиной суммарного фазового сдвига, возникающего при обратном рассеянии (ϕ=ϕ+ϕ). Прогнозируемая величина парциального вклада юстируемого зеркала в полосу захвата определяется из соотношения:
Соотношения для волн, выходящих из кольцевого резонатора, можно записать в следующем виде:
Соотношения (2) и (3) можно существенно упростить, предположив, что интенсивности встречных волн в кольцевом резонаторе равны друг другу (схема возбуждения собственных колебаний КР симметрична):
Тогда соотношения для интенсивности волн, выходящих из резонатора, можно записать в виде:
Эти соотношения написаны в предположении малости модуля коэффициента связи по сравнению с потерями кольцевого резонатора. Поэтому в них присутствуют только члены первого порядка малости от модуля коэффициентов связи встречных волн.
cw
ccw
ccw
cw
Заметим, что для измерения суммарного фазового сдвига, возникающего при обратном рассеянии (ϕ=ϕ+ϕ), необходимо ввести изменение разности фаз встречных волн χ=χ-χ, возбуждающих в кольцевом резонаторе собственные колебания.
При юстировке зеркало перемещается вдоль контактной поверхности моноблочного корпуса кольцевого резонатора (фиг. 2).
При таком перемещении зеркала разность фаз встречных волн для четырехзеркального КР описывается следующим соотношением:
где L - продольное смещение зеркала вдоль контактной поверхности моноблока.
При перемещении зеркала в интенсивностях встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора, наблюдается чередование максимумов и минимумов, связанных с интерференцией полей собственных колебаний с волнами обратного рассеяния. Типичный вид этих зависимостей представлен на фиг. 3. Скорость перемещения составляла величину около 0.1λ/с.
Контрасты измеряемых временных зависимостей прямо пропорциональны модулям коэффициентам связи, а сдвиг между экстремумами этих зависимостей равен фазовому сдвигу, возникающему из-за обратного рассеяния. Поэтому по результату этих измерений можно оценить величину полосы захвата кольцевого резонатора, воспользовавшись соотношением (1).
Предложенный способ юстировки кольцевых резонаторов лазерных гироскопов реализуется следующим образом.
Излучение зондирующего лазера 1 (фиг. 1) проходит через систему полупрозрачных пластин 10, 15, 16 и возбуждает в юстируемом кольцевом резонаторе 3 собственные колебания мод во встречных направлениях. При помощи блока стабилизации частоты 5 и управляющего сигнала от фотоприемника 4 осуществляется привязка частоты генерации зондирующего лазера 1 к частоте собственного колебания кольцевого резонатора. Для этого выход блока 5 стабилизации частоты соединяется с пьезоэлектрическим корректором 2, управляющим частотой генерации зондирующего лазера 1. Для уменьшения влияния на зондирующий лазер 1 волн, идущих в обратном направлении, у выходного зеркала зондирующего лазера 1 устанавливается оптический изолятор 18.
Измерения контрастов интерференционных картин и фазового сдвига между ними осуществляются при помощи двух фотоприемников 4 и 11, подключаемых к измерителю интенсивности обратного рассеяния 12, представляющему собой двухканальный синхронный детектор. Выход измерителя 12 подключается к компьютеру 13, который регистрирует и обрабатывает интерференционные картины, а также управляет передвижением юстируемого зеркала при помощи устройства-манипулятора 14 для юстировки зеркал.
Типичный вид интерференционных картин представлен на фиг. 3. Из измеренных контрастов этих картин определяются значения модулей коэффициентов связи, а по сдвигу между ними определяется значение фазового сдвига ϕ. Прогнозируемая величина порога захвата определяется при помощи соотношения (1).
Если прогнозируемая величина ПЗ не превышает критического значения, то юстируемое зеркало устанавливается в исходном положении на контактной грани моноблочного корпуса. В противном случае, юстируемое зеркало поворачивается вокруг своей оси на угол, составляющий несколько угловых минут (порядка λ/d, где d - диаметр поля собственного колебания), и процесс измерения и оценки прогнозируемой величины ПЗ повторяется еще раз. И так, до нахождения положения юстируемого зеркала, при котором прогнозируемая величина не превышает критического значения. Такой процедуре юстировки подвергаются все зеркала юстируемого КР.
Таким образом, благодаря тому, что в юстируемом кольцевом резонаторе собственные колебания возбуждают во встречных направлениях, юстируемое зеркало в плоскости оптического контура кольцевого резонатора передвигают на расстояние одной длины волны излучения, интенсивность выходящего из кольцевого резонатора излучения измеряют для волн, возбужденных во встречных направлениях, а вклад юстируемого зеркала в порог захвата кольцевого резонатора определяют по величине контрастов интерференционных картин полей волн, выходящих из кольцевого резонатора, и фазового сдвига между экстремумами интерференционных картин, достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности юстировки кольцевого резонатора (КР) по минимуму величины его порога захвата (ПЗ).