Кольцевой оптический квантовый генератор

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при создании высокоточных квантово-механических гироскопов.
Известны кольцевые оптические квантовые генераторы (кольцевые ОКГ) с активным элементом, выходные окна которого расположены под углом Брюстера, и невзаимным устройством, основанном на использовании магнитооптического эффекта Фарадея, с четвертьволновыми пластинками для преобразования линейно-поляризованного излучения в излучение с круговой поляризацией внутри невзаимного элемента /1/.
Недостатком этих кольцевых ОКГ является то, что в результате рассеяния энергии встречных волн на элементах резонатора, в частности, на зеркалах, происходит взаимодействие между этими волнами, приводящее к синхронизации их частот /2, 3/. В результате кольцевой ОКГ оказывается нечувствительным к угловым перемещениям со скоростями менее какой-то критической Ωкр, определяемой полосой синхронизации частот встречных волн. Для определения этого недостатка вводят в резонатор кольцевого ОКГ невзаимное устройство, которое в покоящемся приборе смещает частоты встречных волн относительно друг друга. Стабильность величины начального разноса частот встречных волн в сильной степени определяется взаимодействием между ними за счет рассеяния на элементах резонатора. Флуктуации начального разноса частот снижают чувствительность прибора и точность измерений угловых перемещений и скоростей /4/, а величина полосы синхронизации ограничивает диапазон. Предлагается, с целью повышения чувствительности прибора к угловым скоростям, точности измерений и расширения диапазона, кольцевой ОКГ с резонатором треугольной или четырехугольной формы и активным элементом с окнами, расположенными под углом Брюстера, на которые установлены дихроичные поляризаторы, ориентированные таким образом, что за один проход резонатора электромагнитные волны воспроизводят свою плоскость поляризации, а невзаимный элемент выполнен в виде ячейки Фарадея.
На рис. 1 показано устройство предлагаемого кольцевого ОКГ.
Кольцевой ОКГ образован тремя зеркалами 1, 2, 3, два из которых плоские, а одно с большим радиусом кривизны, и активным элементом 4, на внешние стороны выходных окон, расположенных под углом Брюстера, прикреплены дихроичные поляризаторы 5, например четвертьволновые пластины. Причем кристаллографические оси этих пластин в случае применения треугольного резонатора скрещены. Это необходимо для того, чтобы за пределами активного элемента встречные электромагнитные волны имели круговые поляризации одного направления, а также для того, чтобы при однократном проходе резонатора электромагнитные волны воспроизвели линейную плоскость поляризации внутри активного элемента, ориентацию которой однозначно задают внутренние поверхности окон.
Между зеркалами 1-3 или 2-3 установлена ячейка Фарадея 6, состоящая из просветленной плоскопараллельной изготовленной из стекла с малыми потерями на поглощение и рассеяние и достаточно большой постоянной Верде пластины, помещенной в продольное магнитное поле, создаваемое электромагнитом или постоянным магнитом.
За пределами резонатора встречные волны совмещены в пространстве с помощью интерферометра, состоящего из зеркал 7 и полупрозрачной пластины 8. Совмещенные в пространстве волны подаются на фотосмеситель 9 с ограниченной апертурой. На выходе фотосмесителя выделяется сигнал биений с частотой, равной разности оптических частот встречных электромагнитных волн. При угловом перемещении кольцевого ОКГ частота биений изменяется пропорционально угловой скорости этого перемещения. Измеряя изменение частоты биений, определяют угловую скорость перемещения прибора.
В известных кольцевых ОКГ при возбуждении разряда в активном элементе он приобретает свойство усиливать электромагнитные колебания в определенном диапазоне частот. В случае использования гелий-неоновой смеси и зеркал, обладающих максимальным отражением в красной области спектра, возможно получение излучения на длине волны λ=6328 Å. В кольцевом ОКГ происходит излучение не во всем диапазоне частот, в котором усиливает активный элемент, а на некоторых строго определенных частотах, определяемых резонатором. Эти частоты определяются из условия кратности фазового набега ГП при однократном обходе резонатора электромагнитной волной. При этом считается, что поляризация электромагнитных волн определяется каким-либо элементом внутри резонатора, обладающим поляризационной селективностью, или самим резонатором. При использовании активного элемента с окнами, расположенными над углом Брюстера, излучение линейно поляризовано, а плоскость поляризации определяется ориентацией окон относительно плоскости падения луча. В кольцевом ОКГ с резонатором в виде треугольника незначительное изменение ориентации окон активного элемента относительно плоскости падения лучей на зеркала приводит к существенному возрастанию потерь в резонаторе. Кроме того, при рассеянии излучения на зеркалах часть энергии одной волны возвращается в обратном направлении, что приводит к взаимодействию встречных волн и синхронизации их частот. Следствием этого является уменьшение чувствительности кольцевого ОКГ к угловым скоростям, уменьшение точности и диапазона измерений. Точность измерений, как отмечалось выше /4/, определяется в значительной степени флуктуациями полосы синхронизации частот встречных волн и ее величиной. Величина полосы синхронизации частот встречных волн определяется величиной рассеянной в обратном направлении энергии. Для уменьшения полосы синхронизации естественно необходимо уменьшать рассеяние на элементах резонатора. Это не всегда удается. Остается еще один путь уменьшения полосы синхронизации частот встречных волн - уменьшение энергии рассеянной в обратном направлении электромагнитной волны с помощью каких-либо устройств и изменение свойств этой волны таким образом, чтобы устранить взаимодействие ее с основной.
Предлагается для осуществления этого пути кольцевой ОКГ с активным элементом, на внешние поверхности окон которого, расположенных под углом Брюстера, прикреплены дихроичные поляризаторы, например, четвертьволновые пластины, а в резонаторе между зеркалами 1÷3 или 2-3 установлена ячейка Фарадея в продольном магнитном поле. В результате кольцевой ОКГ приобретает совершенно новые свойства, а параметры устройства измерения угловых скоростей и перемещений с использованием такого ОКГ существенно излучаются. Рассмотрим динамику работы предлагаемого кольцевого ОКГ, которая проиллюстрирована на рис. 1. Система из четвертьволновых пластин и внутренних поверхностей окон, расположенных под углом Брюстера, создает условия для возникновения электромагнитных колебаний внутри резонатора с различными поляризациями на различных участках. При скрещенных кристаллографических осях четвертьволновых пластин и резонатора кольцевого ОКГ в виде треугольника излучение в активном элементе будет линейно поляризовано, а за пределами его излучения будет иметь круговую поляризацию. Направление вращения плоскости поляризации для встречных электромагнитных волн будет одинаковым.
При отражении электромагнитной волны от зеркала происходит изменение направления вращения плоскости поляризации. В результате и рассеянное излучение на зеркалах в обратном направлении изменит направление вращения плоскости поляризации и будет иметь ортогональную поляризацию по отношению к прямой. При прохождении четвертьволновой пластины рассеянная волна преобразуется в волну с линейной поляризацией, плоскость поляризации ее будет ортогональна плоскости поляризации прямой электромагнитной волны. На внутренней поверхности произойдет и ослабление энергии рассеянной волны.
Вследствие выше отмеченных причин взаимодействие между встречными волнами значительно уменьшается. Результатом уменьшения взаимодействия встречных волн будет сокращение полосы синхронизации частот встречных волн и тем самым увеличение чувствительности и точности измерений угловых скоростей, а также расширение диапазона измерений.
Ячейка Фарадея, помещается в резонатор между зеркалами 1 и 3 или 2 и 3, где встречные электромагнитные волны имеют круговые поляризации с одинаковым направлением вращения плоскости поляризации, осуществляет начальное расщепление частот встречных волн. Стабильность начального расщепления частот и, следовательно, точность измерений угловых скоростей, определяется величиной полосы синхронизации частот встречных воин и флуктуациями полосы синхронизации.
Поскольку в предлагаемом авторами кольцевом ОКГ полоса синхронизации частот встречных волн существенно уменьшается, то и точность измерений угловых скоростей повышается.
ЛИТЕРАТУРА
1. ВАСИЛЬЕВ В.П. - О работе квантово-оптического гироскопа в области малых угловых скоростей. Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. ХII, 1965 г., вып. 14.
2. КЛИМОНТОВИЧ Ю.Л. и др. - О синхронизации волн в газовом лазере с кольцевым резонатором. «Журн. Эксперимент. и теорет. Физики»,1966 г. т. 51, вып 1(7). 3-12.
3. БЕРШТЕЙН И.Л. - Полоса захватывания частоты лазерного генератора. Докл. АН СССР, 1965 г., т. 165, №1.
4. КРУГЛИК Г.С. - К теории биений в кольцевом ОКГ. Ж.П.С. том. VII, вып. 4.