КОЛЬЦЕВОЙ РЕЗОНАТОР ЛАЗЕРНОГО ГИРОСКОПА
LASER GYRO RING RESONATOR

Настоящее изобретение относится к средствам адаптивной оптики и может быть использовано для стабилизации частоты кольцевого лазера в системах регулировки периметра кольцевого резонатора лазерного гироскопа.
Для стабилизации частоты кольцевого лазера обычно применяют активные системы регулирования периметра кольцевого резонатора лазерного гироскопа, исполнительными элементами которых являются электромеханические преобразователи - пьезокорректоры.
6
При этом для лазерных гироскопов, имеющих нестабильность масштабного коэффициента не более 20⋅10, необходимо стабилизировать частоту кольцевого лазера около центра полосы усиления активной среды, а также предотвратить переход лазерной генерации на другую продольную моду.
-7
-1
В качестве материала моноблока кольцевого резонатора в основном используется стеклокристаллический материал (оптическая стеклокерамика), обладающий предельно низким температурным коэффициентом линейного расширения (ТКЛР) ~10(°C) (напр., стеклокерамика Zerodur, Clearceram-Z, Ситалл СО-115М (астроситалл)), что при использовании активной системы стабилизации не позволяет гарантировать отсутствие межмодовых переключений в диапазоне изменения температуры от минус 60 до плюс 80°C [1].
Более эффективным решением является применение кольцевых резонаторов, сочетающих активную и пассивную системы регулирования периметра [2, 3]. Конструкция пьезокорректоров, предназначенных для перемещений зеркал кольцевого резонатора, включает в данном случае элементы, тепловое расширение которых вызывает сдвиги зеркал, частично компенсирующие температурные изменения размеров стеклокристаллического моноблока. При этом наибольшее распространение получили пьезокорректоры с конструкцией мембранного типа. Подложка зеркала и мембрана такого пьезокорректора изготавливаются из материала с низким ТКЛР. С двух сторон на мембране методом склейки, диффузионной сварки или пайки закреплены пьезокерамические элементы, составляющие с ней пьезодвигатель [4, 5].
В качестве мембранного пьезокорректора для стабилизации периметра кольцевого резонатора может быть, например, использован известный из уровня техники пьезокорректор [6], содержащий отражающую часть в виде подложки, состоящей из кольцевой крайней части, мембраны и центральной передаточной части с зеркалом, а также пьезопривод, выполненный в виде оправы, защемляющей кольцевую крайнюю часть подложки по контуру посредством лапок, упирающихся в ее цилиндрическую боковую поверхность, и включающий мембрану с парой закрепленных на ней с двух сторон пьезокерамических элементов, а также центральную часть с установленным в ее осевом отверстии винтом, упирающимся в диск, расположенный на внутренней поверхности центральной передаточной части подложки.
Однако практической реализации такого решения кольцевого резонатора, сочетающего активную и пассивную стабилизации периметра кольцевого резонатора (при использовании в качестве устройства для регулировки периметра резонатора, в частности, известного из источника [6] пьезокорректора), препятствует разброс температурных зависимостей ТКЛР у разных партий оптической стеклокерамики даже одной марки.
В результате проведенных исследований, посредством регистрации с помощью дилатометра температурной зависимости ТКЛР для ситалла СО-115М [7], используемого в РФ в качестве стеклокристаллического материала для изготовления моноблоков лазерных гироскопов, было выявлено, что его ТКЛР хорошо аппроксимируется кубическим полиномом (Фиг. 1)
при:
а
-13
-4
=3,15⋅10(°C),
-11
-3
b=-4,04⋅10(°C),
-9
-2
с=3⋅10(°C),
-8
-8
-1
d∈[-15⋅10; 34⋅10](°C),
где:
кр
α - ТКЛР материала моноблока кольцевого резонатора;
Т - температура моноблока кольцевого резонатора;
а
, b, с, d - коэффициенты кубического полинома (многочлена третьей степени).
-8
-1
-8
-1
Величина коэффициента d из выражения (1) определяется химическим составом ситалла СО-115М, а также режимом термообработки данного материала, и может находиться в диапазоне от минус 15⋅10(°C) до плюс 34⋅10(°C). Как видно из графика Фиг. 1, температурные зависимости ТКЛР ситалла СО-115М лежат в показанном на Фиг. 1 интервале, эквидистантно кривым, обозначающим границы интервала. Таким образом, ситалл СО-115М в рабочем диапазоне температур моноблока от минус 60 до плюс 80°C может иметь как отрицательный ТКЛР (график 1), так и положительный (график 2). Аналогичный результат был зарегистрирован для разных партий ситалла СО-115М в работе [1]. Физически это означает, что с ростом температуры моноблок способен как расширяться, так и сжиматься. В связи с этим, конструкции элементов пьезокорректоров, обеспечивающих пассивную стабилизацию периметра кольцевого резонатора, должны быть адаптированы к реальной термической характеристике используемого материала моноблока.
В связи с этим основной целью настоящего изобретения является создание кольцевого резонатора, использующего пьезокорректоры, в которых конструкция элементов, предназначенных для пассивной стабилизации периметра, будет адаптирована к реальной термической характеристике используемого материала моноблока, что позволит обеспечить возможность активной и пассивной компенсации тепловых приращений периметра во всем рабочем диапазоне температур моноблока - от минус 60 до плюс 80°C.
Техническим результатом изобретения является повышение качества стабилизации частоты кольцевого лазера в системах регулировки периметра кольцевого резонатора лазерного гироскопа, посредством обеспечения возможности максимального парирования приращения периметра за счет собственных тепловых расширений конструктивных элементов мембранных пьезокорректоров.
КР
Указанный технический результат достигается кольцевым резонатором лазерного гироскопа, содержащим моноблок из стеклокристаллического материала, с температурным коэффициентом линейного расширения α, вычисляемым по формуле:
КР
a
3
2
α(T)=⋅T+b⋅T+c⋅T+d
при:
а
-13
-4
=3,15⋅10(°C);
-11
-3
b=-4,04⋅10(°C);
-9
-2
с=3⋅10(°C);
0
d>d
где:
кр
α - температурный коэффициент линейного расширения материала моноблока;
Т - температура моноблока;
a
, b, c, d - коэффициенты кубического полинома;
0
min
max
d - значение коэффициента d, при котором приращение периметра кольцевого резонатора в среднем минимально в диапазоне температур T до T °C,
и включающим активную и пассивную системы регулировки периметра, образованного каналами, заполненными активной газовой средой, где в качестве исполнительного элемента для стабилизации частоты кольцевого лазера упомянутых систем используется, по меньшей мере, один установленный в месте соединения каналов пьезокорректор, содержащий подложку зеркала, сформированную из кольцевой крайней части, мембраны и центральной передаточной части с накладкой, обращенной напыленным диэлектрическим покрытием в сторону каналов кольцевого резонатора, а также пьезопривод, выполненный в виде оправы, жестко связанной посредством лапок с ее цилиндрической боковой поверхностью по контуру, и включающий мембрану с парой закрепленных на ней с двух сторон пьезокерамических элементов, а также центральную часть с установленным в ее осевом отверстии винтом, связанным с центральной передаточной частью подложки через промежуточный металлический диск, при этом упомянутый диск выполнен с высотой, удовлетворяющей условию:
где:
min
T=-60°C - минимальная температура моноблока;
max
T=+80°C - максимальная температура моноблока;
н
Р - периметр кольцевого резонатора при номинальной температуре Т моноблока;
θ - угол падения лазерного луча на зеркало;
Д
н
h - высота диска при номинальной температуре Т моноблока;
Д
α - температурный коэффициент линейного расширения материала диска;
КР
α - температурный коэффициент линейного расширения материала моноблока;
З
П
- отношение изгибных жесткостей мембран, соответственно, подложки зеркала С и пьезодвигателя С.
КР
Указанный технический результат также достигается кольцевым резонатором кольцевого лазера, содержащим моноблок из стеклокристаллического материала, с температурным коэффициентом линейного расширения α, вычисляемым по формуле:
КР
a
3
2
α(T)=⋅T+b⋅T+c⋅T+d
при:
а
-13
-4
=3,15⋅10(°C);
-11
-3
b=-4,04⋅10(°C);
-9
-2
с=3⋅10(°C);
0
d<d
где:
кр
α - температурный коэффициент линейного расширения материала моноблока;
Т - температура моноблока;
a
, b, c, d - коэффициенты кубического полинома,
0
min
max
d - значение коэффициента d, при котором приращение периметра кольцевого резонатора в среднем минимально в диапазоне температур T до T °C, и включающим активную и пассивную системы регулировки периметра, образованного каналами, заполненными активной газовой средой, где в качестве исполнительного элемента для стабилизации частоты кольцевого лазера упомянутых систем используется, по меньшей мере, один установленный в месте соединения каналов пьезокорректор, содержащий подложку зеркала, сформированную из кольцевой крайней части, мембраны и центральной передаточной части с накладкой, обращенной напыленным диэлектрическим покрытием в сторону каналов кольцевого резонатора, а также пьезопривод, выполненный в виде оправы, защемляющей кольцевую крайнюю часть подложки по контуру посредством лапок, каждая из которых снабжена вертикальной стержневой частью и хвостовой частью, упирающейся в боковую поверхность кольцевой крайней части подложки зеркала, и включающий мембрану с парой закрепленных на ней с двух сторон пьезокерамических элементов, центральная часть мембраны пьезопривода жестко связана с внутренней поверхностью центральной передаточной части подложки, причем стержневая часть каждой лапки оправы пьезопривода выполнена с высотой, удовлетворяющей условию:
где:
min
T=-60°C - минимальная температура моноблока;
max
T=+80°C - максимальная температура моноблока;
н
Р - периметр кольцевого резонатора при номинальной температуре Т моноблока;
θ - угол падения лазерного луча на зеркало;
Л
h - высота стержневой части лапок при номинальной температуре моноблока;
Л
α - температурный коэффициент линейного расширения материала стержневой части лапок;
КР
α - температурный коэффициент линейного расширения материала моноблока;
З
П
- отношение изгибных жесткостей мембран, соответственно, подложки зеркала С и пьезодвигателя С.
Сущность предложенного изобретения поясняется фиг. 1-3 чертежей.
На фиг. 1 показаны температурные зависимости ТКЛР ситалла СО-115М.
На Фиг. 2 показаны:
а) конструктивная схема пьезокорректора по первому варианту;
б) схема возникновения прогиба мембраны пьезодвигателя;
в) электрическая схемы пьезокорректора.
На Фиг. 3 показана конструктивная схема пьезокорректора по второму варианту.
Пьезокорректор представляет собой сборку подложки 1 с пьезоприводом 2 (Фиг. 2а, Фиг. 3). Подложка 1 выполнена из стали с низким ТКЛР и имеет кольцевую крайнюю часть 3, мембрану 4 и центральную передаточную часть 5, на которой закреплена металлическая накладка 6 с напыленным диэлектрическим покрытием, контактирующим с периметром кольцевого резонатора. Перечисленные элементы подложки формирует сферическое зеркало. Пьезопривод 2 представляет собой оправу подложки и состоит из мембраны 7, закрепленных на ней (методом склейки, диффузионной сварки или пайки) с двух сторон пьезокерамических элементов 8 и 9, составляющих с мембраной пьезодвигатель. При этом в соответствии с первым вариантом выполнения пьезокорректора (Фиг. 2а), в осевом отверстии центральной части 10 пьезопривода установлен винт 11, который упирается в диск 12, закрепленный на центральной передаточной части 5 подложки 1, и обеспечивает выставку натяга мембраны 4. Кроме того, мембрана 7 жестко связана по краям с кольцевой частью 3 посредством «лапок» 13, состоящих из вертикально ориентированной четырехгранной стержневой части 14 и хвостовой части 15, которая упирается в цилиндрическую боковую поверхность кольцевой части 3, образуя с ней неразъемное, например, сварное соединение. Все элементы пьезопривода (за исключением пьезокерамических) выполнены из того же материала с низким ТКЛР, что и мембрана подложки.
ПК
ПК
P
C
Принцип работы пьезокорректора основан на обратном пьезоэлектрическом эффекте. На пьезокерамические элементы 8 и 9 соответственно по и против направления их поляризации подается напряжение U (Фиг. 2в). В зависимости от знака U в пьезокерамических элементах возникают соответственно радиальные растягивающие F и сжимающие F силы (Фиг. 2б), прогибающие мембрану 7 вдоль ее оси симметрии. Прогиб мембраны 7 через винт 11, упирающийся в металлический диск 12, передается на центральную передаточную часть 5 подложки 1. Винт служит также для выставки предварительного натяга мембраны 4 с целью обеспечения необходимых диапазонов прямого и обратного хода зеркала.
Д
min
max
В предложенной по первому варианту конструкции пьезокорректора пассивная стабилизация периметра кольцевого резонатора реализуется за счет тепловых деформаций диска 12. При этом собственные тепловые линейные расширения «лапок» 13 мембраны 1 пьезодвигателя и винта 11 компенсируют друг друга. Особенностью подхода к выбору элементов, реализующих пассивную стабилизацию периметра резонатора, является учет температурной зависимости теплового коэффициента линейного расширения материала моноблока. Так высота диска h, эффективно обеспечивающая пассивную стабилизацию периметра в диапазоне температур от T до T, может быть найдена на основе соотношения:
0
min
max
Применительно к ситаллу СО-115М величина коэффициента d=d в выражении (1), при котором приращение периметра резонатора в среднем минимально в диапазоне температур T до T °C, равна:
0
min
max
где d - значение коэффициента d из выражения (1), при котором приращение периметра КР из ситалла СО-115М в среднем минимально в диапазоне температур T до T °C.
0
-8
-1
Применительно к моноблоку с Р=0,16 м при Тн=20°C в диапазоне температур от минус 60 до плюс 80°C величина коэффициента d составляет 2,43⋅10(°C).
0
Д
min
max
0
Нетрудно показать, что при d=d высота диска h=0. Этот факт означает, что диск может быть исключен из конструкции пьезокорректора, представленного на Фиг. 2а, а следовательно, пассивная стабилизация периметра резонатора, обеспечиваемая предложенными конструкциями пьезокорректоров нецелесообразна, так как интегральное приращение периметра (от самого маленького значения периметра до самого большого) в рабочем диапазоне температур от T до T имеет минимальное значение. На практике ситалл СО-115М с таким значением d=d кубического полинома, аппроксимирующего ТКЛР ситалла, практически не встречается в партиях, поставляемых производителем (например, Лыткаринским заводом оптических стекол).
0
0
Если d>d, то целесообразность использования диска сохраняется и высота диска определяется выражением (2). При d<d возможность пассивной компенсации приращений периметра с использованием диска применительно к пьезокорректору, представленному на Фиг. 2а, отсутствует.
КР
0
На Фиг. 3 представлена конструктивная схема пьезокорректора по второму варианту его выполнения, эффективно реализующая пассивную компенсацию теплового приращения ΔP периметра кольцевого резонатора, выполненного из ситалла СО-115М, имеющего α(Т) с d<d. В отличие от первого варианта выполнения пьезокорректора, мембрана 7 пьезодвигателя, изготовленная из стали с высоким ТКЛР, жестко связана по краям и центру с подложкой 1 зеркала 6. При изменении температуры моноблока лазерного гироскопа собственные тепловые линейные расширения стержневой части 14 лапок 13 оправы пьезодвигателя вызывают перемещение центральной части 10 мембраны 7 вместе с подложкой 1 и зеркалом 6 «вверх» вдоль оси симметрии пьезокорректора и частично парируют отрицательные приращения периметра ΔР. Активная стабилизация периметра кольцевого резонатора осуществляется также как и в схеме с пьезокорректором, представленном на Фиг. 2а.
Л
Эффективную высоту h стержневой части 14 «лапок» мембраны пьезодвигателя, участвующую в пассивной компенсации приращений периметра, целесообразно выбирать на основе выражения (4), аналогичного (2):
Расчеты и экспериментальные исследования показывают, что для моноблока лазерного гироскопа с кольцевым резонатором, выполненным из ситалла СО-115М, рациональный выбор типа и конструктивных параметров его пьезокорректора обеспечивает в режиме пассивной стабилизации компенсацию до 80% тепловых приращений периметра кольцевого резонатора во всем рабочем температурном диапазоне.
Литература
1. Голяев Ю.Д., Запотылько И.Р., Недзвецкая А.А., Синельников А.О., Тихменев Н.В. Лазерные гироскопы с увеличенным временем непрерывной работы // Датчики и системы, №11 (2011), стр. 49-51.
2. Запотылько Н.Р., Недзвецкая А.А., Полехин И.Н. Пьезопривод для кольцевого лазерного гироскопа // Оптический журнал, т. 78, №10 (2011), стр. 13-15.
3. Запотылько Н.Р., Катков А.А., Недзвецкая А.А. Пьезокорректор для компенсации тепловых вариаций длины оптического пути резонатора лазерного гироскопа // Оптический журнал, т. 78, №10 (2011), стр. 10-12.
4. Шарапов В.М., Мусиенко М.П. Пьезоэлектрические датчики / Москва: Техносфера, 2006, стр. 290-358.
5. Борисов М.В., Захаров М.А., Черноморский А.И. Пьезокорректор для малогабаритного лазерного гироскопа // Всероссийская научно-техническая конференция навигация, наведение и управление летательными аппаратами, Москва-Раменское, 2012 г., стр. 265-268.
6. Патент US 4824253 А, МПК GO1C 19/64, опубл. 08.04.1987 г.
7. Бужинский И.М., Жуковец Ж.Г. Исследование теплового расширения ситаллов на лазерном дилатометре в интервале температур от -60 до +80°C // Метрология, №9, 1986, стр. 38-42.