ЛАЗЕРНЫЙ ДАТЧИК УГЛОВОЙ СКОРОСТИ

Полезная модель относится к измерительной лазерной технике, а более конкретно к устройствам измерения угловой скорости на основе кольцевых газовых лазеров.
Известен лазерный датчик угловой скорости, включающий четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, заполненными активной газовой смесью, пьезодвигатель, смесительную призму и фотоприемник для регистрации сигналов вращения [Патент РФ №2364837].
Недостаток этого лазерного датчика угловой скорости состоит в том, что три из четырех каналов кольцевого лазера являются рабочими, причем каждый из газоразрядных промежутков имеет два колена, расположенных под углом, и имеется только одно зеркало с пьезодвигателем. Это усложняет зажигание разряда, а также приводит к существенным изменениям расстояний между зеркалами при регулировке периметра резонатора в процессе саморазогрева и изменения внешней температуры, параметров связи встречных волн через обратное рассеяние и снижению точности лазерного датчика угловой скорости.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому лазерному датчику угловой скорости является лазерный датчик угловой скорости, включающий четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, образующими неплоский оптический контур, по одной диагонали которого расположены плоские зеркала с пьезодвигателями, а по другой - сферическое зеркало и плоское выходное зеркало со смесительной призмой, сдвоенный фотоприемник для регистрации сигналов вращения, фотоприемник для регистрации интенсивности одной из встречных волн, токовые катушки для создания частотной подставки на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах и экран для защиты от внешних магнитных полей [Azarova V.V., Golyaev Yu. D., Dmitriev V.G. and other. Zeeman Laser Gyroscopes. // Optical Gyros and Their Applications. RTO AGARDograph 339. 1999. P. 5-14].
В этом лазерном датчике угловой скорости устранено существенное изменение расстояний между зеркалами при регулировке периметра резонатора в процессе саморазогрева и изменения внешней температуры, приводящее к изменению параметров связи встречных волн через обратное рассеяние и снижению точности лазерного датчика, за счет расположения по одной диагонали плоских зеркал с пьезодвигателями, а по другой - сферического зеркала и плоского выходного зеркала со смесительной призмой.
Недостаток этого лазерного датчика угловой скорости состоит в том, что все четыре канала кольцевого лазера являются рабочими. Это приводит к увеличению энергопотребления и температуры саморазогрева лазера во время его работы за счет большой длины газоразрядных промежутков и требует введения дополнительных электродов поджига для зажигания газового разряда, что снижает стабильность тока газового разряда и усложняет конструкцию лазера. Кроме того, при наличии градиентов температуры в каналах лазера возникают кольцевые газовые потоки и направленное движение атомов активной среды, которые приводят к ошибкам измерения угловой скорости из-за сдвига частот, обусловленного эффектами Физо и Лэнгмюра.
Задачей полезной модели является повышение точности и надежности лазерного датчика угловой скорости, упрощение его конструкции при сохранении расположения пьезозеркал, обеспечивающего стабильность расстояний между зеркалами и параметров связи встречных волн через обратное рассеяние в процессе регулировки периметра.
Поставленная техническая задача решается тем, что в известном лазерном датчике угловой скорости, включающем четырехзеркальный кольцевой лазер с четырьмя каналами, образующими неплоский оптический контур, по одной диагонали которого расположены плоские зеркала с пьезодвигателями, а по другой - сферическое зеркало и плоское выходное зеркало со смесительной призмой, сдвоенный фотоприемник для регистрации сигналов вращения, фотоприемник для регистрации интенсивности одной из встречных волн, токовые катушки для создания частотной подставки на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах и экран для защиты от внешних магнитных полей, рабочими каналами кольцевого лазера являются два соседних канала с токовыми катушками для наложения магнитного поля на активную газовую смесь, прилегающие к сферическому зеркалу, а два другие канала являются пассивными.
Пассивные каналы лазерного датчика угловой скорости могут иметь диаметр в 1,1-2,0 раза больше диаметра рабочих каналов и диафрагмы вблизи плоского зеркала для подавления поперечных мод.
Уменьшение числа рабочих каналов и токовых катушек в лазерном датчике угловой скорости позволяет снизить напряжения их зажигания и горения. Кроме того, это позволяет уменьшить энергопотребление и температуру саморазогрева лазерного датчика угловой скорости во время его работы, а также делает его конструкцию более простой.
Увеличенные диаметры пассивных каналов и расположенные вдали от газоразрядных промежутков диафрагмы уменьшают чувствительность лазерного датчика угловой скорости к градиентам температур.
В результате благодаря снижению напряжений зажигания и горения повышается надежность лазерного датчика угловой скорости, а благодаря уменьшению температуры саморазогрева и чувствительности датчика к градиентам температур повышается его точность.
На чертеже представлена конструктивная схема лазерного датчика угловой скорости, поясняющая сущность полезной модели.
Лазерный датчик угловой скорости содержит четырехзеркальный кольцевой лазер, в корпусе 1 которого выполнены четыре канала 2, 3, 4, 5, оси которых образуют неплоский оптический контур. Каналы заполнены активной газовой смесью, например смесью гелия и неона. В местах соединения каналов 2, 3, 4, 5 на корпусе кольцевого лазера методом оптического контакта закреплены зеркала 6, 7, 8, 9. По одной диагонали расположены плоские зеркала 7, 9 с пьезодвигателями 10, 11, а по другой - сферическое зеркало 6 и плоское выходное зеркало 8 со смесительной призмой 12. На выходном зеркале закреплены, например, с помощью клея сдвоенный фотоприемник 13 для регистрации сигнала вращения и фотоприемник 14 для регистрации интенсивности одной из волн.
Каналы 2 и 5 являются рабочими. Возбуждение их осуществляется газовым разрядом, который образуется между холодным катодом 15 и анодами 16, 17.
Пассивные каналы 3, 4 могут иметь диаметр в 1,1-2,0 раза больше диаметра рабочих каналов 2, 5 и диафрагмы 18, 19 вблизи плоского зеркала 8.
Катодная полость 20, в которую установлен катод 15, соединена с рабочими каналами 2, 5 с помощью канала ввода газового разряда 21. На противоположных концах рабочих каналов 2, 5 установлены аноды 16, 17, которые связаны с рабочими каналами 2, 5 с помощью подводящих каналов 22, 23. В местах расположения рабочих каналов 2, 5 в корпусе кольцевого лазера 1 выполнены катушечные выборки 24, 25 для намотки на рабочие каналы 2, 5 токовых катушек 26, 27. Корпус 1 помещен в экран 28, выполненный, например, из пермаллоя.
Лазерный датчик угловой скорости работает следующим образом.
На холодный катод 15 и аноды 16, 17 подается напряжение. При этом тлеющий разряд от холодного катода 15 через канал ввода газового разряда 21 попадает в активные газоразрядные каналы 2, 5 и далее через подводящие каналы 22, 23 к анодам 16, 17. При выполнении условия превышения усиления света над потерями в кольцевом лазере возникает генерация двух встречных волн, несущих информацию о параметрах вращения лазерного датчика угловой скорости в инерциальном пространстве. После совмещения встречных волн в смесительной призме 12, на сдвоенном фотоприемнике 13 формируются сигналы вращения, частота которых пропорциональна угловой скорости, а сдвиг фаз определяет знак угловой скорости. Сигнал второго фотоприемника 14 используется для стабилизации периметра кольцевого лазера и оптической частоты излучения посредством изменения напряжения на пьезодвигателях 10, 11, которые являются исполнительными элементами системы регулировки периметра датчика. Токовые катушки 26, 27 создают частотную подставку на основе эффекта Зеемана путем наложения магнитного поля на активную газовую смесь в рабочих каналах 2, 5, а экран 28 обеспечивает защиту от внешних магнитных полей. Диафрагмы 18, 19 подавляют поперечные моды в кольцевом лазере, а увеличенный 1,1-2 раза диаметр пассивных каналов 3, 4 по сравнению рабочими каналами 2, 5 снижает чувствительность лазерного датчика угловой скорости к изменению температуры.
Предложенная конструкция лазерного датчика угловой скорости позволяет:
повысить надежность лазерного датчика угловой скорости за счет сокращения числа рабочих каналов и уменьшения напряжений зажигания и горения газового разряда;
увеличить точность измерения угловой скорости за счет снижения температуры саморазогрева лазерного датчика угловой скорости и уменьшения чувствительности к градиентам температуры во время его работы;
уменьшить энергопотребление и упростить конструкцию датчика за счет уменьшения числа рабочих каналов, исключения дополнительных электродов поджига и токовых катушек.
Испытания образцов лазерных датчиков угловой скорости предложенной полезной модели показали, что они обладают повышенной точностью измерения угловой скорости (до 10 раз), пониженными на 30% энергопотреблением и температурой саморазогрева лазерного датчика, а так же обеспечивают надежное зажигание и устойчивое горение разряда в лазере при подаче высоковольтного напряжения, сниженного на 20% по сравнению с известными кольцевыми газовыми лазерами [Azarova V.V., Golyaev Yu. D., Dmitriev V.G. and other. Zeeman Laser Gyroscopes. // Optical Gyros and Their Applications. RTO AGARDograph 339. 1999. P. 5-14].
Кроме того, за счет расширения пассивных каналов снижается чувствительность лазерного датчика угловой скорости к изменению температуры.