Оптический интерференционный смеситель лазерного гироскопа
OPTICAL INTERFERENCE MIXER FOR LASER GYRO

Изобретение относится к области измерительной техники, а именно к устройствам для измерения угловой скорости в системах ориентации и навигации подвижных объектов, и может быть использовано при организации систем съема и обработки выходной информации с кольцевых лазерных гироскопов в виде интерференционной картины.
Регистрация фазового сдвига в кольцевом интерферометре основана на явлении интерференции, возникающем при суммировании встречных световых лучей. Впервые это явление в 1904 году использовал А. Майкельсон в опытах при изучении гипотезы «Эфира». Аналогичные опыты в 1913 году с целью проверки ньютоновского «светоносного эфира» были проделаны М. Саньяком [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С. 188].
Для выделения сигнала разностной частоты встречных излучений в лазерном гироскопе, выходящих через один из отражательных элементов кольцевого резонатора, последние совмещают в специальном оптическом устройстве - оптическом интерференционном смесителе. Следует отметить, что в лазерном гироскопе лишь небольшая доля энергии оптического сигнала (примерно 1…10%) интерферирует на рабочей грани оптического смесителя. Для осуществления интерференции встречных волн лазерного гироскопа применяют различные схемы оптических смесителей. Принято различать три типа схем оптических смесителей: зеркальные, призменные и голографические [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С. 288].
Для моноблочных конструкций лазерного гироскопа по точности совмещения наиболее предпочтительной является известная призменная схема [Богданов А.Д. Гироскопы на лазерах. - М.: Воениздат, 1973. - 72 с. - С. 36].
Конструктивное решение оптической схемы интерференционного смесителя на основе асимметричной призмы приведено на фиг. 1. Основными элементами данной схемы являются полупрозрачное плоское зеркало, которое одной стороной (зеркальной) обращено к оптическим каналам газового лазера, а другой стороной сопряжено с основанием асимметричной призмы. При прохождении через полупрозрачное плоское зеркало 1-го и 2-го оптических лучей с учетом прохождения 1-го оптического луча через асимметричную призму на ее рабочей грани происходит интерференция встречных волн. Это приводит к появлению в рабочей плоскости А-А интерференционной картины, которая может быть технически обработана, например, с помощью фотоприемного устройства. Для устойчивой работы фотоприемника в цепь обработки, как правило, дополнительно ставится фокусирующая оптическая линза.
Достоинством данной оптической схемы следует считать возможность ее применения практически для любой оптической схемы кольцевого лазера.
К недостаткам следует отнести:
1) наличие двух компонентов - полупрозрачного плоского зеркала и сопряженной с ним асимметричной призмы. Данное положение не позволяет создать интегрированную структуру и накладывает ограничения на технологию создания такой конструкции: сопряжение двух стеклянных поверхностей с заданными оптическими характеристиками;
2) для нормальной работы фотоприемного устройства требуется фокусирующая линза, которая является внешним добавочным элементом на выходе оптической схемы интерференционного смесителя. Это накладывает дополнительные требования технологического характера при юстировке фотоприемника, фокусирующей линзы и непосредственно интерференционного смесителя.
Наиболее близким к заявляемому устройству является оптическая схема, реализующая функции юстировки оптической кольцевой треугольной схемы лазерного гироскопа и выполненная на базе плоского зеркала полного отражения с полусферической поверхностью в его геометрическом центре [Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы. / Под ред. канд. техн. наук И.А. Горенштейна – М.: Машиностроение, 1970. - 230 с. - С. 161-164].
Сущность технического решения прототипа приведена на фиг. 2.
В плоском зеркале (1) толщиной В технологически сформирована полусферическая область (3) радиусом R. Полусферическая поверхность углублена в первую поверхность (2) плоского зеркала на величину h. На первую поверхность (2) плоского зеркала (1) нанесена оптически непрозрачная для лазерной электромагнитной волны пленка из соответствующих материалов/слоев требуемой толщины. Вторая поверхность (4) плоского зеркала (1), в отличие от первой (2), является оптически прозрачной. В конструктивном плане, как правило, реализуются следующие основные геометрические размеры данного устройства: h=1,0…1,5 мм; В=3,0…5,0 мм.
Достоинством данной схемы является ее высокая степень интеграции - все рабочие поверхности выполнены в пределах одного элемента - плоского зеркала (1).
Недостатком данной схемы является отсутствие реальной возможности обеспечивать режим интерференции встречных волн при реализации полного отражения в плоском зеркале. Однако, если изменить свойства пленки на поверхности (2), т.е. реализовать полупрозрачный режим, то в структуре возможно интерференционное преобразование, но технически обработать его практически нельзя.
Общими признаками известных оптических интерференционных смесителей лазерного гироскопа являются:
1) полупрозрачное плоское зеркало, сопряженное с асимметричной призмой, и фокусирующая линза;
2) продольная ось фокусирующей линзы совпадает с перпендикулярной осью рабочей грани асимметричной призмы, полупрозрачного зеркала и осью фотоприемника.
Технический результат изобретения состоит в повышении надежности, точности и стабильности измерения величины угловой скорости лазерного гироскопа с треугольной оптической схемой моноблока и исключении технологических моментов фокусировки интерференционного смесителя, фокусирующей линзы и фотоприемного устройства за счет создания высокоинтегрированного оптического интерференционного смесителя.
Заявляемое устройство содержит:
1) полупрозрачное плоское зеркало, первая поверхность которого покрыта полупрозрачным светоотражающим покрытием/пленкой, а его толщина достаточна для реализации процесса интерференции встречных волн в моноблоке кольцевого лазерного гироскопа на границе раздела его второй поверхности и области расположения фокусирующей линзы и фотоприемного устройства, что обеспечивает достижение технической обработки получаемой интерференционной картины с помощью фотоприемного устройства на заданном удалении зоны экрана интерференции;
2) полусферическую поверхность заданного радиуса, интегрированную с плоским зеркалом и сформированную на его первой поверхности на заданную глубину, причем полусферическая поверхность обращена к оптическим каналам моноблока кольцевого лазерного гироскопа;
3) фокусирующую линзу заданного радиуса, интегрированную с плоским зеркалом и сформированную на второй его поверхности, причем радиус фокусирующей линзы больше радиуса полусферической поверхности, а продольная ось фокусирующей линзы совпадает с продольной осью полусферической поверхности и осью фотоприемного устройства.
Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:
1) полупрозрачное плоское зеркало заданной толщины, первая поверхность которого покрыта полупрозрачным светоотражающим покрытием/пленкой;
2) полусферическая поверхность заданного радиуса, интегрированная с плоским зеркалом и сформированная на его первой поверхности, причем полусферическая поверхность обращена к оптическим каналам моноблока кольцевого лазерного гироскопа.
Отличными от прототипа являются следующие признаки:
1) толщина полупрозрачного плоского зеркала достаточна для реализации процесса интерференции встречных волн в моноблоке кольцевого лазерного гироскопа на границе раздела его второй поверхности и области расположения фокусирующей линзы и фотоприемного устройства, что позволяет выполнять техническую обработку получаемой интерференционной картины с помощью фотоприемного устройства на заданном удалении зоны экрана интерференции;
2) фокусирующая линза заданного радиуса, интегрированная с плоским зеркалом и сформированная на второй его поверхности, причем радиус фокусирующей линзы больше радиуса полусферической поверхности, а продольная ось фокусирующей линзы совпадает с продольной осью полусферической поверхности и осью фотоприемного устройства.
Сущность технического решения заявляемого устройства раскрывает чертеж устройства на фиг. 3. Заявляемое устройство содержит: 1 - полупрозрачное плоское зеркало; 2 - первая поверхность плоского зеркала, на которую нанесено полупрозрачное светоотражающее покрытие/пленка; 3 - полусферическая поверхность; 4 - вторая поверхность плоского зеркала, которая является оптически прозрачной для интерферирующих встречных волн; 5 - фокусирующая линза.
Устройство оптического интерференционного смесителя лазерного гироскопа работает следующим образом. Принцип работы иллюстрирует фиг. 4. Предположим для удобства анализа, что заявляемое устройство оптического интерференционного смесителя используется с моноблочным гироскопом с открытыми оптическими каналами [Патент РФ на изобретение. Лазерный гироскоп, №2488773, G01C 19/66, заявка №2011144273/28, 01.11.2011, опубл. 27.07.2013, бюл. №21].
В рабочую зону полусферической поверхности 3, которая сформирована на рабочей поверхности плоского зеркала 2 и имеет рабочий радиус R1, поступают одновременно два луча из каналов оптического кольцевого контура моноблока. Перемещением плоского зеркала 2 в некоторой области, перпендикулярной плоскости оптического кольцевого контура моноблока, осуществляется юстировка оптических лучей лазерного источника. В итоге, система зеркал реализует замкнутый оптический кольцевой контур моноблока. Максимальное углубление полусферической поверхности 3 в плоское зеркало 1 составляет заданную величину h, которая в практических случаях не превышает значение 1,0…1,5 мм.
В случае треугольной оптической схемы моноблока оба оптических луча приходят в рабочую точку полусферической поверхности 3 под одинаковыми углами, равными 30°. На границе раздела двух сред «воздух-стекло» угол преломления будет составлять приблизительно 27°, что не создает полного оптического отражения на следующей границе раздела «стекло-воздух» (вторая поверхность 4 плоского зеркала 1) и определяет конкретную эффективность интерференционного процесса.
Для случая четырехугольной оптической схемы моноблока оба оптических луча приходят в рабочую точку полусферической поверхности 3 под одинаковыми углами, но уже равными 45°. Это приводит к тому, что известный угол преломления будет приблизительно равен 42°, что создает эффект полного оптического отражения на следующей границе раздела «стекло-воздух» (вторая поверхность 4 плоского зеркала 1). Это означает, что оба луча не могут выйти за пределы поверхности 4 полупрозрачного плоского зеркала 1. Данное положение указывает на то, что предложенное устройство может функционировать только с треугольной оптической схемой моноблока.
Учитывая, что коэффициент пропускания плоского зеркала 1 составляет не более 10%, то 90% энергии встречных лучей возвращается в оптический кольцевой контур моноблока. Это обеспечивает устойчивый режим работы гироскопа.
Часть энергии встречных оптических лучей (приблизительно 10%), пройдя границу раздела рабочей поверхности 2, проникают внутрь объема плоского зеркала 1 с углами приблизительно 27°. При достижении второй поверхности 4 оба луча могут выходить на поверхность 4 плоского зеркала 1, образуя интерференционную картину встречных волн в зоне экрана интерференции на удалении L от поверхности 4. Однако расстояние между интерференционными полосами зависит от удаления экрана L и расстояния между точками выхода встречных волн d на поверхности 4. Для обеспечения технической обработки интерференционной картины целесообразно зону экрана максимально приближать к поверхности 4. Как видно из фиг. 4, параметры L и d есть величины взаимообратные. Отсюда следует, что необходимо увеличивать параметр d, который пропорционально зависит от толщины Н плоского зеркала 1. Данное положение определяет следующее ограничение на соотношение параметров толщин плоского зеркала 1: Н>>h. Практические значения толщины плоского зеркала 1 могут составлять Н=10…20 мм при h=1,0…1,5 мм.
Дальнейшее повышение качества технической обработки интерференционной картины требует фокусировки встречных оптических сигналов в плоскости зоны экрана. Для этого на поверхности 4 плоского зеркала 1 интегрально сформирована фокусирующая линза 5, выполненная радиусом R2. Для уверенного захвата преломленных встречных оптических лучей на выходе смесителя должны выполняться следующие ограничения:
1) радиусы сферических поверхностей должны удовлетворять условию R2>R1;
2) продольная ось фокусирующей линзы 5 должна совпадать с продольной осью полусферической поверхности 3 и осью фотоприемного устройства.
Испытаниям подвергался опытный образец, созданный на базе оптического стекла типа КОИ-8 толщиной 12 мм с зеркальной поверхностью на основе пленки алюминия, созданной путем вакуумного напыления и обеспечивающей 10% пропускание мощности оптического сигнала встречных волн на рабочей длине волны 1550,0 нм. При реализации сферических поверхностей R2=50 мм и R1=20 мм удалось получить интерференционную картину в зоне экрана на удалении 5 см и обеспечить техническую обработку интерференционной картины с помощью дифференциального фотоприемника типа ВРХ 48 фирмы Siemens.
Использование заявляемого устройства позволяет существенно снизить технологические затраты как на процесс создания интерференционных смесителей, так и на процесс юстировки кольцевых моноблочных лазерных гироскопов с треугольной оптической схемой, достигая при этом повышение надежности, точности и стабильности измерения величины угловой скорости лазерного гироскопа.