ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП С МЕХАНИЧЕСКИ АКТИВИРУЕМОЙ УСИЛИВАЮЩЕЙ СРЕДОЙ
SOLID-STATE LASER GYROSCOPE WITH MECHANICALLY ACTIVATED GAIN MEDIUM

Изобретение относится к области твердотельных кольцевых лазеров, называемых также лазерными гироскопами. Почти все лазерные гироскопы используют газообразную усилительную среду, представляющую обычно смесь гелия и неона. Однако возможно использование лазерного гироскопа, имеющего твердотельную усилительную среду, в котором газообразная усилительная среда заменена твердотельным элементом, например матрицей на YAG (на алюмоиттриевом гранате), легированном неодимом.
Ω
Принцип работы лазерного гироскопа основан на эффекте Саньяка в двунаправленном кольцевом лазерном резонаторе, приводимом во вращательное движение. Эффект Саньяка вызывает разность частотмежду двумя противоположно распространяющимися модами оптического излучения, которые распространяются в противоположных направлениях в резонаторе. В обычно используемых твердотельных средах, в том числе в Nd:YAG, моды, распространяющиеся в противоположных направлениях, совместно используют одни и те же усилительные атомы. Поэтому усиление считается равномерным. В случае, когда две противоположно распространяющиеся (встречные) моды имеют одну и ту же или очень близкие частоты, результирующий интерференционный сигнал представляет собой стоячую волну, которая может двигаться. Степень участия атомов усиливающей среды в процессе вынужденного излучения тем больше, чем ближе они к пучности стоячей волны, и тем меньше, чем ближе они к узлу. Поэтому это создает в усиливающей среде решетку инверсной населенности, записанную с помощью стоячей волны. Эта решетка продолжает существовать пока частоты двух противоположно распространяющихся мод достаточно близки. Ее контраст тем ниже, чем больше разность частот по сравнению с величиной, обратной времени жизни возбужденного уровня. Известно, что эта решетка инверсной населенности оказывает отрицательное влияние на гироскопические измерения по двум основным причинам:
- усиливает конкуренцию между встречными модами, препятствуя в большинстве случаев установлению режима биений, являющегося рабочим режимом в гирометре; и
- вызывает нелинейность в частотной характеристике при вращении лазера, ухудшая таким образом инерционные качества.
С первой из этих причин можно бороться различными методами на основе, например, электронных устройств обратной связи. Оптическое устройство, размещенное в резонаторе, действует по-разному на интенсивность мод в зависимости от направления их распространения. Эти устройства, как правило, основаны на невзаимных оптических эффектах типа эффекта Фарадея.
Однако устройства, используемые для борьбы с проблемой межмодовой конкуренции, менее хорошо работают на низких скоростях вращения и в общем не позволяют обойти проблему нелинейности частотной характеристики лазерного гироскопа. Эта проблема может быть решена, например, путем установления сильного смещения частоты между двумя встречными модами. При этом необходимо контролировать стабильность используемого смещения, отсутствие которой ведет к ограничению инерционных качеств. Также возможно устранение стоячей волны в усиливающей среде и решетки инверсной населенности, создаваемой этой волной, путем обеспечения ортогональности поляризационных состояний при их взаимодействии с кристаллом. Последний метод требует контроля двулучепреломления в резонаторе, что подразумевает трудность его использования в условиях необходимости высоких инерционных качеств.
Принцип работы устройства согласно изобретению состоит в модуляции продольного положения активного кристалла вокруг среднего положения, при которой атомы кристалла перемещаются относительно узлов и пучностей интерференционной картины, формируемой двумя встречными модами, независимо от разности частот между этими двумя модами. Устройство согласно изобретению позволяет уменьшить контраст усиливающей решетки и, следовательно, ее отрицательные воздействия на гироскопические измерения без изменения длины резонатора. Устройство позволяет также ослабить эффекты обратного рассеяния, вызываемого усиливающей средой. Наконец, устройство согласно изобретению потенциально представляет собой устройство для борьбы с мертвой зоной, которое может в зависимости от поверхности кристалла замещать или дополнять обычное механическое устройство активации.
В частности, объектом изобретения является лазерный гироскоп, содержащий по меньшей мере один оптический резонатор в форме кольца и твердотельную усиливающую среду, которые выполнены с возможностью обеспечения распространения двух встречных оптических мод в противоположных направлениях одной относительно другой внутри указанного оптического резонатора и прохождения этих мод через усиливающую среду, отличающийся тем, что указанная усиливающая среда соединена с электромеханическим устройством, сообщающим указанной усиливающей среде периодическое поступательное движение вдоль оси, по существу параллельной направлению распространения указанных оптических мод.
0
В предпочтительном варианте изобретения амплитуда движения подчиняется синусоидальному закону как функция времени, произведение максимальной амплитуды периодического поступательного движения на средний волновой вектор оптических мод соответствует половине одного из нулей функции J Бесселя нулевого порядка, и частота периодического поступательного движения имеет порядок величины такой же или больше, чем у величины, обратной времени жизни инверсной населенности в усилительной среде.
В предпочтительном варианте изобретения частота движения выбирается так, чтобы избежать появления параметрических резонансных частот, дестабилизирующих лазер. В частности, упомянутая частота в предпочтительном варианте изобретения может располагаться на значительном удалении от частоты или частот релаксации лазера.
В предпочтительном варианте изобретения электромеханическое устройство является устройством пьезоэлектрического типа.
В предпочтительном варианте изобретения лазерный гироскоп включает в себя устройство для стабилизации интенсивности встречных мод, которое может содержать оптическую систему, размещенную в резонаторе, которая содержит по меньшей мере один поляризационный элемент, вращатель плоскости поляризации света, проявляющий невзаимный эффект, и оптический элемент, представляющий собой или вращатель плоскости поляризации света, проявляющий взаимный эффект, или двулучепреломляющий элемент, причем по меньшей мере один из углов вращения или двулучепреломления является регулируемым.
Изобретение также относится к системе для измерения относительных угловых положений или угловых скоростей вдоль трех различных осей, отличающейся тем, что содержит три лазерных гироскопа по меньшей мере одной из предыдущих пунктов, при этом указанные гироскопы являются ориентированными вдоль различных направлений и установлены на общей механической структуре.
Более полное понимание существа изобретения и других его преимуществ очевидно из нижеследующего описания, посредством не ограничивающих примеров реализации с прилагаемыми фигурами чертежей, на которых:
- Фиг.1 демонстрирует общий вид лазерного гироскопа согласно изобретению;
- Фиг.2, 3 и 4 демонстрируют три различные геометрические конфигурации оптических пучков относительно усилительной среды и относительно направления поступательного движения; и
- Фиг.5 демонстрирует типичный пример осуществления лазерного гироскопа согласно изобретению.
На фиг.1 представлен общий вид лазерного гироскопа 1 согласно изобретению. В общем случае он содержит:
- кольцевой резонатор 2, состоящий из зеркал 7, в котором две оптические моды 4 и 5, называемые встречными модами, циркулируют в противоположных направлениях одна относительно другой;
- твердотельную усилительную среду 3, через которую проходят указанные моды;
- средство 9 измерения, содержащее по меньшей мере оптическое средство для обеспечения интерференции двух оптических мод и средство вычисления для определения углового перемещения или угловой скорости резонатора с учетом измерений полученных интерференционных картин; и
- возможно другие оптические системы такие как, например, устройства 8 для стабилизации интенсивности встречных мод.
c
x
Кроме того, усиливающая среда соединена с электромеханическим устройством 6, сообщающим указанной усилительной среде меняющееся со временем периодическое поступательное движение, обозначенное x(t), вдоль оси O, практически параллельной направлению распространения указанных оптических мод и соответствующей продольной оси резонатора.
При этих условиях динамика твердотельного кольцевого лазера с колеблющейся усилительной средой может быть описана с использованием следующих уравнений, полученных из полуклассической теории Максвелла - Блоха, а именно:
,
+
-
где E и E - комплексные амплитуды встречных мод;
γc - потери в резонаторе;
Ω - невзаимность, вызываемая эффектом Саньяка;
+
-
m и m - амплитуды обратного рассеяния, вызываемые движением усилительной среды в двух направлениях распространения, обозначенных + и -. Обратное рассеяние, вызываемое неподвижными зеркалами, не учитывается в этих уравнениях для упрощения;
c
k- волновой вектор лазера;
σ - поперечное сечение пучка лазерного излучения;
l - длина кристалла;
T - время прохождения через резонатор;
0
N- средняя плотность инверсной населенности N;
+
c
N - фурье-преобразование N 2k-порядка;
-
+
N - сопряженный комплекс N;
W - мощность оптической накачки;
1
T - время жизни возбужденного уровня; и
a - параметр насыщения.
Устройство может работать при различных типах периодического поступательного движения, однако самым простым в реализации является синусоидальное движение с амплитудой как функции времени t, которая может быть выражена в форме:
c
M
M
x(t) = xsin(ωt), Уравнение 1
M
где x - максимальная амплитуда движения; и
M
M
M
M
ω - угловая частота движения, заданного уравнением: ω=2πf, где f- частота движения.
+
-
+
-
c
c
Из первой строки вышеприведенной системы уравнений следует, что каждая мода может подвергаться обратному рассеянию в виде встречной моды, распространяющейся в обратном направлении посредством двух явлений. Первое явление вызывается обычным рассеиванием света на усиливающей среде. Оно соответствует членам в m и m. Второе явление обусловливается наличием решетки инверсной населенности. Оно соответствует членам в N и N. В обоих случаях появляется дополнительный фазовый множитель, обусловленный движением усиливающей среды. Он соответствует членам в exp(2ikx). В случае достаточных амплитуды и частоты этого движения, полученных в результате, достигается значительное ослабление эффективности этих двух типов связи, проявляющемся в повышении гирометрических характеристик лазера, главным образом, с точки зрения линейности частотной характеристики.
M
Кроме того, движение усиливающей среды также оказывает влияние на эффективность записи решетки инверсной населенности электромагнитными волнами. Это обусловливается тем, что при отсутствии движения каждый атом воспринимает совершенно другую интенсивность света в зависимости от его нахождения в узле или пучности стоячей волны. Когда усиливающая среда приводится в движение с достаточной амплитудой и достаточной частотой, интенсивность, к которой каждый атом является чувствительным, определяется ни узлом, ни пучностью, а усредненной по времени последовательностью узлов и пучностей. Результатом этого является уменьшение неравномерности световой волны, воспринимаемой атомами, и, следовательно, амплитуды решетки инверсной населенности. Можно показать, что в случае синусоидального движения c амплитудой x и достаточно высокой частотой, средняя интенсивность, воспринимаемая каждым атомом, становится независимой от положения при выполнении следующего условия:
J<sub>0 </sub>(2k<sub>c</sub>x<sub>M</sub>)=0
Уравнение 2
0
где J обозначает функцию J Бесселя нулевого порядка.
c
M
0
0
Поэтому устройство согласно изобретению работает лучше при удовлетворении уравнению 2, т.е. в случае, когда 2kx является нулем функции J. Ниже приводятся приближенные значения первых членов ряда нулей функции J:
2,405; 5,520; 8,654; 11,79; 14,93; 18,07; 21,21; 24,35; и т.д.
c
M
Разумеется, невыполнение условия (2) будет иметь тем меньшее влияние на надлежащую работу устройства согласно изобретению, чем больше значение kx. На практике это значение будет определяться технологическими ограничениями при осуществлении изобретения, например, рабочим диапазоном используемых пьезоэлектрических прокладок.
c
c,
Третий эффект, вызываемый движением усиливающей среды со скоростью V, заключается в корректировке частотной невзаимности в лазерном резонаторе с помощью множителя, пропорционального V согласно формуле:
где n обозначает оптический показатель усиливающей среды. В случае синусоидального движения, описываемого уравнением 1, вызываемая невзаимность подобна обычно используемой в механически активируемых лазерных гироскопах. В последнем случае синусоидальное движение уже не ограничивается усилительной средой, а сообщается всему усиливающему резонатору.
m
m
m
m
c
m
m
m
1
В примере осуществления изобретения, не ограничивающим его объема, для колебательного движения усиливающей среды, заданного x(t)=xsin(2nft), с амплитудой x8 микрон на частоте f 5 кГц скорость усиливающей среды, заданная V(t)=x(t)=2πfxcos(2πft), достигает амплитуды 0,25°м/с, соответствующей гироскопу с масштабным множителем K, равным 691°/с и оптическим периметром 24 сантиметра, в котором кристалл имеет показатель n 1,82 и длину 25 миллиметров, до смещения амплитуды приблизительно 160°/с. Следовательно, эффект, упомянутый в этом параграфе, имеет действительно тот же самый порядок величины, что и обычно привносимый механической активацией, таким образом обеспечивая реалистичность предлагаемой замены. Кроме того, этот способ сохраняет преимущество, свойственное механическим движениям, а именно, отсутствие ухода среднего времени смещения, устанавливаемого после длительного времени обнаружения. Разумеется, это верно только при условии, что параметры, участвующие в генерации смещения, типа длины кристалла или оптического показателя, не претерпевают значительных изменений в течение цикла движения усиливающей среды. В случае необходимости усиливающей среде может сообщаться сверхактивационное движение, как это обычно используется для механически активируемых лазерных гироскопов.
Если подвести итог, то приведение усиливающей среды в твердотельном лазерном гироскопе в движение позволяет осуществить:
- привнесение колебательной фазы, результатом воздействия которой является усреднение до нуля обратного рассеяния, вызываемого усиливающей средой и решеткой инверсной населенности;
- смещение стоячей волны относительно атомов усиливающей среды, результатом которого является уменьшение контраста решетки инверсной населенности; и
- установление смещения с колебательной частотой, которое может замещать или дополнять эффект механической активации.
Проблема межмодовой конкуренции не решается полностью с помощью движения равномерно усиливающей среды. Причина этого заключается в том, что две встречные моды всегда используют одни и те же атомы, и одна из этих двух мод предрасположена к монополизации доступного усиления в ущерб другой, что может нарушить работу гироскопа. Поэтому лазерный гироскоп согласно изобретению может включать в свой состав в случае необходимости устройство стабилизации, которое может содержать петлю обратной связи, действующую на дифференциальные потери между модами.
Эффективность электромеханического устройства, сообщающего усиливающей среде периодическое поступательное движение, зависит от выбора частоты и амплитуды модуляции. В частности, устройство работает тем лучше, чем выше частота колебаний. Типичной постоянной времени является время жизни возбужденного состояния в усиливающей среде. Амплитуда колебаний имеет, как правило, тот же порядок величины, что и длина световой волны. Как указано выше, существует ряд дискретных значений амплитуды колебаний, позволяющих довести эффективность изобретения до максимума.
Для уменьшения эффектов обратного рассеяния света плоскости кристалла не должны быть перпендикулярными направлению распространения пучка в лазерном резонаторе. В предпочтительном варианте осуществления изобретения одна из поверхностей кристалла может быть размещена под углом Брюстера.
Существует три варианта направлений движения кристалла, показанные на фиг.2, 3 и 4:
- Фиг.2: геометрическая ось бруска 3 параллельна направлению движения и оси распространения пучка в кристалле;
- Фиг.3: ось падающего пучка параллельна направлению активации; и
- Фиг.4: ось падающего пучка, направление распространения и направление движения ориентированы под взаимно различными углами.
В предпочтительном варианте осуществления изобретения оптическая ось усилительного кристалла 3 выбрана параллельной направлению распространения пучка в кристалле, как показано на фиг.2.
Как указано выше, в резонаторе 2 может быть размещено устройство 8 для стабилизации интенсивности встречных мод. В общем случае это устройство для стабилизации содержит оптическую систему, размещенную в резонаторе, которая содержит по меньшей мере один поляризационный элемент, вращатель плоскости поляризации света, проявляющий невзаимный эффект, и оптический элемент. Этот оптический элемент представляет собой или вращатель плоскости поляризации света, проявляющий взаимный эффект, или двулучепреломляющий элемент. Причем по меньшей мере один из указанных эффектов или двулучепреломления регулируется в соответствии с разностью интенсивностей двух встречных мод.
На примере не ограничивающего примера согласно изобретению, фиг.5 иллюстрирует лазерный гироскоп, включающий в свой состав электромеханическое устройство согласно изобретению и устройство для стабилизации интенсивности встречных мод.
В соответствии с этим лазерный гироскоп 1 содержит:
- кольцевой лазерный резонатор 2, содержащий четыре зеркала 7;
- лазерный резонатор имеет несколько неплоскую структуру, чтобы вызывать взаимное вращение плоскости поляризации на несколько градусов. Поэтому на фиг.5 три из указанных четырех зеркал 7 представлены наклонными эллипсами и
- кроме того, одно из зеркал резонатора обладает сильным поляризационным эффектом. Это обусловлено необходимостью надлежащей работы устройства для стабилизации интенсивности мод для мод, подвергающихся поляризации. Поляризационный эффект символически показан стрелкой на одном из зеркал 7 на фиг.5;
- усиливающую среду 3, представляющую собой легированный неодимом кристалл YAG, оптически накачиваемый лазерным диодом с длиной волны излучения 808 нм, не показанный на фиг.5;
- кристалл YAG 3 смонтирован на пьезоэлектрическом устройстве 6, которое приводит его в колебательное движение с частотой приблизительно 20 килогерц и максимальной амплитудой приблизительно 8 микрон;
- устройство для стабилизации содержащее:
- два фотодиода 82, соединенные с устройством 83 сервоуправления и предназначенные для измерения интенсивности двух встречных оптических мод 4 и 5,
- электромагнитную катушку 81 индуктивности вокруг кристалла YAG, позволяющую вызывать регулируемый эффект Фарадея и
- устройство 83 сервоуправления, которое генерирует ток, протекающий в катушке 81 индуктивности, причем указанный ток является пропорциональным разности интенсивностей встречных мод 4 и 5. Полярность тока выбирается так, чтобы вызывать более высокие потери в более интенсивной моде; и
- устройство 9 для считывания и обработки гирометрического сигнала, содержащее:
- оптоэлектронное средство 91 для обеспечения интерференции встречных мод и измерения параметров системы интерференционных полос и
- вычислительное средство 92 для восстановления информации об угловой скорости или угловом перемещении по этим параметрам.
В случае необходимости все устройство размещается на механическом активационном волчке.
Разумеется, можно создать систему для измерения относительных угловых положений или угловых скоростей вдоль трех различных осей, содержащую три лазерных гироскопа согласно изобретению, ориентированных вдоль различных направлений и смонтированных на общей механической структуре.