УСТАНОВКА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПОРОГА СТАТИЧЕСКОГО ЗАХВАТА В ЗЕЕМАНОВСКОМ КОЛЬЦЕВОМ ЛАЗЕРЕ

Полезная модель относится к приборостроению и может быть использована для измерения порога статического захвата в зеемановском кольцевом лазере.
Известно устройство [RU 2397446, G01C 19/68, C1, 20.08.2010], содержащее кольцевой лазер, две схемы сложения лучей, два фотоприемника, входы которых оптически сопряжены с выходами соответствующих схем сложения лучей, блок обработки и управления, информационные входы которого соединены с выходами фотоприемников, схема коммутации однонаправленной генерации, расположенная в резонаторе кольцевого лазера, управляющие входы которой соединены с управляющими выходами блока обработки и управления, оптический гетеродин, выходы которого оптически сопряжены с входами схем сложения лучей, а вторые входы схем сложения лучей оптически сопряжены со встречными лучами кольцевого лазера, причем, выходы блока обработки и управления содержат код приращения угла в инерциальном пространстве за период измерения.
Недостатком данного технического решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, в нем производится исключение зоны захвата, но, при этом, не определяются параметры зоны захвата.
Наиболее близким по технической сущности к предложенному, является устройство [1], содержащее кольцевой лазер, оптический смеситель, фотоприемник, цифровой частотомер, генератор пилообразного тока, катушки для создания магнитного поля, соединенные с выходом генератора пилообразного тока и установленные на зеемановском кольцевом лазере.
В этом устройстве при измерении порога захвата в исследуемом кольцевом лазере определяется минимальное значение тока в катушке, при котором исчезает режим биений встречных волн. При такой процедуре измерений, возникают значительные погрешности измеряемого порога захвата, связанные с гистерезисными явлениями при входе и выходе кольцевого лазера из зоны захвата. Вследствие этого возникает неоднозначность определения величины порога захвата и значение порога при выходе из захвата может в несколько раз превышать значение, определяемое при входе в зону захвата.
Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в устранении неоднозначности и повышении точности измерения порога захвата кольцевого зеемановского лазера.
Требуемый технический результат достигается путем изменения режима сканирования тока в катушках и введения введением устройства обработки, осуществляющего математическую обработку измеряемой временной зависимости частоты биений путем аппроксимации на основе известной теоретической функции, по параметрам которой затем однозначно определяется порог захвата. Сканирование производится без вхождения в зону захвата, где проявляется гистерезис, и тем самым устраняется неоднозначность результата измерений. Повышение точности измерений достигается за счет нахождения результата измерений по большому числу экспериментальных точек (N>100) путем использования методики регрессионного анализа, минимизирующего, как известно, средний квадрат отклонения теоретической характеристики от экспериментальных данных.
Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в установке для измерения порога статического захвата в зеемановском кольцевом лазере, содержащей оптический смеситель, фотоприемник, оптический вход которого связан с оптическим выходом смесителя, цифровой частотомер, генератор пилообразного тока, первую и вторую катушки для создания магнитного поля, установленные на зеемановском кольцевом лазере, согласно предложенной полезной модели, введены устройство обработки и источник постоянного тока, при этом, первая катушка для создания магнитного поля подключена к выходу генератора пилообразного тока, вторая катушка для создания магнитного поля подключена к выходу источника постоянного тока, а выход частотомера соединен с входом блоком обработки, причем, величины токов в первой и второй катушках для создания магнитного поля выбираются из условия отличия от нуля минимальной частоты биений кольцевого лазера, а величина порога статического захвата определяется в устройстве обработки путем использования аппроксимации частотной характеристики зеемановского кольцевого лазера вида
а
а
а
0
1
2
где t - время сканирования, параметр  отражает смещение характеристики вдоль горизонтальной оси, параметр  пропорционален частоте захвата, а параметр  имеет смысл масшабного коэффициента. На чертеже представлены:
на фиг. 1 - функциональная схема установки для измерения порога статического захвата в зеемановском кольцевом лазере и зеемановский кольцевой лазер с источником питания;
a
a
а
а
а
2
0
0
1
2
2
1
L
на фиг. 2 - графики, поясняющие работу установки, где использованы обозначения: Ω=·(t-) - частота Зеемановского расщепления, являющаяся при измерениях действительной частотой вращения, Δν - измеренная частота вращения, t - дискретное время измерения, ,  - коэффициенты, найденные в результате аппроксимации по формуле (1), Ω-Ω - диапазон изменения действительных частот при сканировании, Ω - частота порога захвата;
на фиг. 3 - лицевая панель примера реализации программы устройства обработки для случая его реализации в виде персонального компьютера.
На фиг. 1 представлены: зеемановский кольцевой лазер 1 с источником питания 2, а также оптический смеситель 3 световых сигналов с фотоприемником 4, причем, вход оптического смесителя 3 оптически соединен с резонатором зеемановского кольцевого лазера 1, а выход смесителя - с оптическим входом фотоприемника 4, при этом, оптический смеситель 3 световых сигналов с фотоприемником 4 предназначен для формирования сигнала биений встречных волн и оптически соединен с резонатором зеемановского кольцевого лазера.
Кроме того, на фиг. 1 представлены: цифровой генератор 5 пилообразного тока, цифровой частотомер 6, первая 7 и вторая 8 катушки для создания магнитного поля, установленные на зеемановский кольцевом лазере, причем, первая катушка 7 для создания магнитного поля соединена с выходом генератора 5 пилообразного тока, а выход фотоприемника 4 соединен с входом цифрового частотомера 6.
L
Помимо указанного выше, на фиг. 1 представлены генератор 9 постоянного тока и устройство 10 обработки, выполненное, в частности, в виде персонального компьютера, при этом, выход генератора 9 постоянного тока соединен со второй катушкой 8 для создания магнитного поля, выход цифрового частотомера 6 подключен к входу устройства 10 обработки, который в соответствии с описанным ниже алгоритмом функционирования определяет порог статического захвата Ω в зеемановском кольцевом лазере.
Работает установка для измерения порога статического захвата в зеемановском кольцевом лазере следующим образом.
Генератор 5 является генератором пилообразного тока. Период «пилы» может составлять, в частности, 160 с, а ее амплитуда может отличаться и лежит в пределах 100±10мА … 1 А ± 100 мА. Вначале испытуемый зеемановский кольцевой лазер (резонатор) 1 должен быть выведен из зоны захвата в достаточно линейную область и быть там стабилизирован. Для этого используется источник 9 постоянного тока.
Для питания резонатора используется источник 2 питания кольцевого лазера. Он, как правило, состоит из нестабилизированного источника катодного напряжения -900±100 В, блока поджига, создающего постоянное напряжение +4…6 кВ относительно катодного напряжения, двухканального стабилизатора тока 2±0,1 мА и регулируемого источника напряжения подстройки периметра 0…-170±30 В, которое поступает на пьезоэлектрические приводы, установленные на двух зеркалах резонатора.
пост
пер
1
2
В установке используются две катушки магнитного поля. В первой катушке 7 пропускается постоянный ток I, обеспечивающий постоянное смещение рабочей точки pm (см. фиг. 2). Во второй катушке 8 протекает ток пилообразной (треугольной) формы I, благодаря чему возникает переменное магнитное поле и происходит сканирование по различным скоростям вращения в диапазоне от Ω до Ω.
Значения токов, проходящих через первую 7 и вторую 8 катушки, подбираются так, чтобы зеемановский кольцевой лазер осуществлял вхождение в зону нелинейности (фиг. 2), но до зоны захвата не доходил. Глубина вхождения в зону нелинейности, предшествующую зоне захвата, должна быть достаточной для проведения регрессионного анализа и определяется эмпирически и отличие от линейной характеристики составляет не более 20-30%.
Во время сканирования оптический сигнал Δν(t) с выхода фотоприемника 4 подается на вход цифрового частотомера 6, подключенного к устройству 10 обработки с помощью USB-интерфейса. Цифровой частотомер 6 измеряет частоту сигнала Δν через равные промежутки времени и передает данные в устройство 10 обработки, выполненным в виде компьютера, где они собираются в массив и сохраняются в файл.
После завершения сбора данных проводится их обработка с использованием процедуры нелинейного регрессионного анализа. Вид функции, которая соответствует частотной характеристике зеемановского кольцевого лазера, включающую зоны линейности, нелинейности и зону захвата, априорно известен [2] и в данном случае имеет вид:
а
а
а
0
1
2
где t - время сканирования, параметр  отражает смещение характеристики вдоль горизонтальной оси, параметр  пропорционален частоте захвата, а параметр  имеет смысл масшабного коэффициента.
Нахождения параметров функции (1) осуществляется с помощью алгоритма Левенберга-Марквардта [3]. После этого частота захвата определяется как
L
2
1
а
а
Ω=·.
а
2
Действительные частоты вращения Ω связаны с временем t через коэффициент
а
а
2
0
Ω=·(t-).
На фиг. 3 приведена лицевая панель примера реализации программы устройства 10 обработки для случая его реализации в виде персонального компьютера. Эта программа разработана в среде графического программирования LabVIEW и выполняет сбор и обработку данных в соответствии с описанным выше алгоритмом.
a
а
а
0
1
2
Таким образом, благодаря введению дополнительного арсенала технических средств (в частности тем, что, введены устройство обработки и источник постоянного тока, при этом, первая катушка для создания магнитного поля подключена к выходу генератора пилообразного тока, вторая катушка для создания магнитного поля подключена к выходу источника постоянного тока, а выход частотомера соединен с входом блоком обработки, причем, величины токов в первой и второй катушках для создания магнитного поля выбираются из условия отличия от нуля минимальной частоты биений кольцевого лазера, а величина порога статического захвата определяется в устройстве обработки путем использования аппроксимации частотной характеристики зеемановского кольцевого лазера вида , где t - время сканирования, параметр  отражает смещение характеристики вдоль горизонтальной оси, параметр  пропорционален частоте захвата, а параметр  имеет смысл масшабного коэффициента), достигается требуемый технический результат, заключающийся в устранении неоднозначности и повышении точности измерения порога захвата кольцевого зеемановского лазера.
Источники информации, принятые во внимание
1. Синельников А.О., Ермак Е.М., Коржавый А.П. Особенности захвата частот в лазерном гироскопе с частотной подставкой на эффекте Зеемана // Наукоемкие технологии. 2012. №10. С. 40-45.
2. Панов М.Ф., Соломонов А.В., Филатов Ю.В. Физические основы интегральной оптики. - М.: Издательский центр «Академия», 2010. - 432 с.
3. Гилл Ф., Мюррей У., Райт М. Практическая оптимизация. - М.: Мир, 1985. - 509 с.