Лазерный датчик угловой скорости
LASER ANGULAR VELOCITY SENSOR

Предлагаемое изобретение относится к области технической физики и может быть использовано при создании и разработке угломерных, навигационных систем различного назначения.
Известны устройства измерения угловых скоростей на основе кольцевых оптических квантовых генераторов, которые работают в 4-волновом режиме /1/. Благодаря 4-волновому режиму устройства измеряют мгновенное значение угловой скорости. Для обеспечения 4-волнового режима в кольцевых ОКГ используются изотропные резонаторы с фазовыми пластинками, а начальное расщепление частот встречных волн, обеспечивающее высокую чувствительность всего устройства к малым угловым скоростям, осуществляется наложением продольного магнитного поля на активную среду. Блок-схема устройства приведена на рис. 1.
В кольцевом резонаторе, образованном зеркалами 1, установлен активный элемент 2, герметизированный окнами, расположенными перпендикулярно к направлению распространения встречных волн. На окнах установлены четвертьволновые 3 и фазовые 4 пластинки. Активный элемент помещен в соленоид 5. На выходе одного из зеркал резонатора установлены две призмы 6, например, Волластона, которые разделяют в пространстве электромагнитные волны с линейными ортогональными поляризациями. Затем встречные волны с одинаковыми типами поляризации совмещаются в пространстве четырьмя зеркалами 7 и двумя полупрозрачными пластинами 8 и подаются на два фотоприемника 9. На их выходе выделяется сигнал биений, частота которого в идеальном случае пропорциональна магнитному полю и угловой скорости перемещения устройства. Дальнейшей обработкой в блоке 10 выделяют сигнал, частота которого пропорциональна только угловой скорости.
Благодаря продольному магнитному полю, приложенному к активному элементу, и четвертьволновым пластинкам, установленным на его окнах, встречные электромагнитные волны имеют линейный тип поляризации за пределами активной среды и круговой тип поляризации в самой активной среде. Вследствие этого при рассеянии энергии на элементах резонатора, например, зеркалах, увеличивается взаимодействие встречных волн и ухудшается точность и сокращается диапазон измерения угловых скоростей.
Кроме того, величина начального расщепления частот встречных волн с одинаковым типом поляризации является нелинейной функцией величины магнитного поля Н, расстройки частоты относительно центра линии усиления Δν, превышения усиления над потерями для этой пары волн Δq и некоторых других. Поэтому практически не удается получить сигнал биений на выходе блока 10, частота которого была пропорциональна только угловой скорости. Это приводит к существенному снижению точности измерения угловой скорости и делает такое устройство чувствительным к внешним магнитным полям.
Последний недостаток вызван тем, что начальное расщепление частот встречных волн осуществляется в активной среде, которая является нелинейной.
Известное устройство имеет еще один недостаток - это многоэлементная сложная система совмещения встречных волн и выделения сигнала их биений.
Авторами предлагается устройство для измерения угловых скоростей с использованием кольцевого оптического квантового генератора, свободное от недостатков известного.
Улучшение достигается изменением конструкции кольцевого ОКГ, благодаря чему встречные волны имеют линейные одинаковые типы поляризации в активной среде и круговые за пределами активного элемента, а также изменением конструкции системы выделения сигнала биений.
Блок-схема предлагаемого авторами устройства приведена на рис. 2. В кольцевом резонаторе, образованном зеркалами 1, установлен активный элемент 2. На окне активного элемента установлены четвертьволновые пластины 3, а между ними одна или несколько, например две, линейные фазовые пластинки 4. При этом кристаллографические оси четвертьволновых пластинок скрещены, а оси линейных фазовых пластинок составляют угол ±45° с осями четвертьволновых и одна совпадает с плоскостью резонатора. Такая конструкция кольцевого оптического квантового генератора приводит к тому, что встречные волны имеют линейные одноименные типы поляризации в активной среде и круговые одноименные за пределами активного элемента. Трансформация типов поляризации встречных электромагнитных волн в кольцевом ОКГ показана на рис. 3а.
Из-за того что встречные волны имеют попарно линейные и ортогональные типы поляризации в пространстве между четвертьволновыми пластинами, электромагнитные волны одного направления, например, распространяющиеся против часовой стрелки, смещены по частоте на величину, определяемую разностью фаз или оптических путей в фазовых пластинах.
Начальное расщепление частот встречных волн может осуществляться с помощью ячейки Фарадея 10, установленной в резонаторе. Спектр излучения кольцевого ОКГ будет иметь вид, представленный на рис. 3б.
Рассеяние энергии встречных волн на элементах резонатора, например, зеркалах, приводит к взаимодействию встречных волн только в том случае, когда прямая и рассеянная в обратном направлении волны имеют близкие частоты, практически совпадающие, и неортогональные типы поляризации.
В предлагаемом устройстве рассеянная электромагнитная волна и прямая за пределами активного элемента имеют круговые ортогональные типы поляризации, а в активной среде - линейные ортогональные. То есть в предложенной конструкции устранена связь между встречными волнами.
Таким образом в предлагаемом устройстве устранены два основных недостатка из известных: связь между встречными волнами и чувствительность к магнитному полю. Благодаря этому увеличена точность и расширен диапазон измерения угловых скоростей.
Вывод энергии встречных волн за пределы резонатора осуществляется частично прозрачным зеркалом. Вследствие того, что зеркало расположено под углом к электромагнитным волнам, на выходе эти волны имеют эллиптическую форму поляризации. Из-за этого разделить волны по поляризации не удается. Поэтому спектр полезного сигнала сложен, что ухудшает его обработку и уменьшает диапазон измерения угловых скоростей.
Для устранения этого явления выводящее зеркало выполнено на подложке 5, представляющей собой четвертьволновую пластину, и установлено таким образом, что ориентация кристаллографических осей зеркала-пластинки совпадает с ориентацией осей четвертьволновых пластинок, установленных на окна активного элемента. В результате электромагнитные волны на выходе такого зеркала имеют линейные формы поляризации, а явление деполяризации сведено практически на нет.
Затем встречные волны совмещаются в пространстве любым известным устройством, например, призмой 6, и только после этого разделяются по поляризациям, например, призмой Рошона или Волластона 7, и подаются на два фотодетектора 8. Сигналы биений усиливаются и подаются на блок 9, где и выделяется сигнал, частота которого пропорциональна угловой скорости перемещения устройства.
Как видно из описания системы выделения сигналов биений, она содержит меньшее количество элементов, чем в известном устройстве, а функции выполняет такие же.
Следовательно, в предложенном устройстве ликвидированы основные недостатки прототипа: повышена точность и расширен диапазон измерения угловых скоростей, а также упрощена конструкция всего устройства.