ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП
LASER GYROSCOPE

Изобретение относится к области лазерной техники и может быть использовано при создании навигационных систем различного типа, в частности, в безинерциальных навигационных системах.
Основным элементом навигационной системы является датчик угловых скоростей (ДУС) объекта, который позволяет измерять угловую скорость объекта в инерциальном пространстве. ДУС, как правило, строятся по гироскопической схеме.
Известные механические системы ДУС в настоящее время активно заменяются лазерными системами, как обладающие большей функциональностью и более высокими точностными характеристиками. Такие системы получили название «лазерные гироскопы» [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп.- Киев: Выща шк. Головное изд-во, 1988. - 383 с. - С. 281]. В лазерном гироскопе носителем информации об угловой скорости относительно инерциального пространства является электромагнитное излучение, параметры которого изменяются в зависимости от вектора угловой скорости вращения. Фактически, это квантовый прибор с кольцевым активным резонатором, в котором излучения распространяются навстречу друг другу и выводятся на интерференционный оптический смеситель/преобразователь, на выходе которого образуется сигнал разностной частоты интерферирующих встречных волн. Данное явление получило специфическое название по имени его открывателя - эффект М. Саньяка.
Кольцевым резонатором является оптическая система, состоящая из трех или более отражателей, в которой траектория лазерного луча замкнута и лазерный луч, пройдя через все оптические элементы, замыкается сам на себя в плоскости резонатора.
В последние годы усилия разработчиков были направлены на создание жесткой, малогабаритной и монолитной конструкции кольцевого резонатора лазерного гироскопа. В современных конструкциях моноблочных лазерных гироскопов применяют, как правило, треугольные, четырехугольные кольцевые резонаторы.
Близким к заявляемому устройству является моноблочная конструкция лазерного гироскопа, разработанная американской фирмой «Honeywell» [Горенштейн И.А., Шульман И.А. Инерциальные навигационные системы./ Под ред. канд.техн.наук И.А. Горенштейна - Москва: Машиностроение, 1970. - 230 с. - С. 161-164].
Конструктивно аналог представлять собой кольцевой газовый лазер (оптический квантовый генератор (ОКГ) с двумя анодами и катодом), корпусом которого является оптический моноблок из плавленого кварца, в котором просверлены цилиндрические каналы. Оптические каналы с помощью системы зеркал замыкают оптическую схему, в которой два встречных оптических потока кольцевого газового лазера реализуют эффект Саньяка. В устройстве предусмотрена возможность юстировки оптических потоков и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины.
Достоинствами данной конструкции следует считать:
1. Высокая жесткость конструкции, которая определяется моноблочностью кольцевого резонатора и интегрированностью оптического квантового генератора.
2. Достаточно высокие электрические характеристики гироскопической системы.
К недостаткам данной конструкции следует отнести:
1. Недостаточная надежность системы, которая определяется газовым источником лазерного излучения, конструктивно выполненным внутри оптических каналов моноблока; высоковольтным питанием.
2. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости из-за наличия влияния синхронизма в активной газовой среде ОКГ.
3. Дрейф выходного сигнала из-за газовых потоков в кольцевом лазере.
4. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.
5. Высокие экономические затраты на изготовление и сложность технологии сборки моноблока и системы зеркал устройства.
Наиболее близким к заявляемому устройству является моноблочная конструкция лазерного гироскопа, разработанная в ОАО "Научно-производственный комплекс "ЭЛАРА" имени Г.А. Ильенко (ОАО "ЭЛАРА"), [Лазерный гироскоп: патент RU 2582900, МПК G01C 19/66 (2006.01); Заявка: №2014154547/28, 31.12.2014]. Сущность конструктивного решения прототипа раскрывает чертеж на Фиг. 1.
Лазерный гироскоп содержит многоугольный оптический моноблок 1 со сформированными в нем оптическими каналами 2, а также зеркала 3 полного отражения лучистой энергии и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4. В качестве источника оптического излучения в конструкцию включен полупроводниковый лазер 6, снабженный для обеспечения одномодового режима излучения внешним оптическим резонатором 5, имеющий форму усеченной призмы.
Толщина усеченной призмы 5 равна толщине оптического моноблока 1. Поверхность усеченной призмы покрыта светоотражающим покрытием, в котором выполнены: одно оптическое отверстие в основании усеченной призмы для ввода лучистой энергии от лазера в резонатор 5; два других оптических отверстия расположены симметрично на ее боковых гранях на уровне, совпадающем с уровнем расположения оптических каналов 2 оптического моноблока 1, и реализуют в резонаторе 5 полупроводникового лазера 6 продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным оптическим каналом 2 (выполненным в виде цилиндра) оптического моноблока 1.
Внешний оптический резонатор фиксируется в посадочном месте посредством клея после соответствующей юстировки относительно сопрягаемого оптического канала 2 контура моноблока 1. Полупроводниковый лазер 6 примыкает к основанию резонатора 5 и механически фиксируется крепежными элементами, замыкая, таким образом, кольцевую оптическую схему лазерного гироскопа.
Зеркала 3 полного отражения лучистой энергии и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4, примыкают непосредственно к граням шестиугольного оптического моноблока 1 и фиксируются, например, крепежными и прижимными элементами с резиновыми прокладками.
Преобразователь 4 установлен в юстировочном приспособлении и примыкает непосредственно к свободной грани шестиугольного оптического моноблока 1 и фиксируется, например, крепежными элементами.
Общим признаком известных лазерных гироскопов являются: лазерный излучатель, кольцевой резонатор с системой зеркал для создания замкнутого движения оптического луча, система съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины.
Технический результат заявляемого изобретения состоит в создании моноблочного лазерного гироскопа с пассивным оптическим контуром, что снижает температурную нестабильность устройства, повышает эффективность использования лучистой энергии полупроводникового лазера за счет применения внешнего оптического разветвителя на основе оптического волокна с фиксированным коэффициентом деления, который дополнительно обеспечивает развязку оптического контура гироскопа с каналами накачки лучистой энергии и, как следствие, обеспечивает более высокостабильную работоспособность устройства.
Заявляемое устройство содержит: многоугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами; зеркала полного отражения лучистой энергии; преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом; в качестве источника оптического излучения используется полупроводниковый лазер. Для создания/накачки встречных потоков лучистой энергии в оптическом контуре моноблока, сформированном совокупностью оптических каналов, используется внешний оптический разветвитель на основе оптического волокна, выходы которого на основе оптических волокон подсоединены к двум дополнительно сформированным оптическим каналам в моноблоке и находящимся в единой плоскости оптических каналов, оси которых образуют с осями сопрягаемых оптических каналов моноблока угол, который меньше апертуры сопрягаемого оптического канала, а оконцовка выходных оптических волокон разветвителя выполнена в виде Бреговской решетки для рабочей длины волны полупроводникового лазера.
Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:
- многоугольный оптический моноблок;
- сформированные цилиндрические оптические каналы, образующие оптический контур гироскопа;
- зеркала полного отражения лучистой энергии;
- преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом;
- полупроводниковый лазер в качестве источника оптического излучения.
Отличительными от прототипа являются следующие признаки:
- внешний оптический разветвитель на основе оптического волокна;
- полупроводниковый лазер подключен к внешнему оптическому разветвителю;
- два дополнительно сформированных оптических канала в моноблоке, которые находятся в единой плоскости оптических каналов, образующие оптический контур гироскопа;
- оси дополнительно сформированных оптических каналов образуют с осями сопрягаемых оптических каналов моноблока угол, который меньше апертуры сопрягаемого оптического канала;
- оконцовка выходных оптических волокон разветвителя выполнена в виде Бреговской решетки для рабочей длины волны полупроводникового лазера.
Сущность конструктивного решения заявляемого устройства раскрывает чертеж на Фиг. 2. Заявляемая конструкция устройства содержит:
1 - многоугольный оптический моноблок; 2 - цилиндрические оптические каналы оптического контура гироскопа; 3 - зеркала с высокой отражательной способностью; 4 - преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом; 6 - полупроводниковый лазер; 7 - внешний оптический разветвитель на основе оптического волокна с одним входом и двумя выходами; 8 - два дополнительно сформированных оптических канала в моноблоке для подачи лучистой энергии накачки в оптический контур гироскопа.
Многоугольный оптический моноблок 1 изготовлен из оптически прозрачного материала, например, из органического стекла, в котором просверлены цилиндрические каналы 2. Возможно применение в качестве конструкционного материала и плавленого кварца. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены два зеркала 3 и преобразователь для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, совмещенный с полупрозрачным сферическим зеркалом 4. Зеркала 3 имеют поверхность с очень высокой отражательной способностью в диапазоне рабочих частот излучения, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Сферическое зеркало в преобразователе 4 является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала и одновременно позволяет значительно упростить юстировку оптического контура моноблока 1. Два дополнительно сформированных оптических канала 8 в моноблоке 1, которые находятся в единой плоскости оптических каналов 2, образующих оптический контур гироскопа, предназначены для подачи/накачки оптического контура гироскопа лучистой энергией от полупроводникового лазера 6 через внешний оптический разветвитель 7. В итоге, излучение от полупроводникового лазера 6 через внешний оптический разветвитель 7 формируется в виде двух параллельных пучков, которые по двум оптическим волокнам посредством двух дополнительно сформированных оптических каналов 8 в моноблоке 1 поступают в оптический контур гироскопа во взаимно обратных направлениях. При этом диаметр а оптических каналов 8 должен быть сопрягаем с диаметром оптического волокна оптического разветвителя. В итоге этим достигается режим эффекта Саньяка в оптическом контуре моноблока.
Эффективность накачки лучистой энергией оптического контура 1 гироскопа достигается тем, что оси дополнительно сформированных оптических каналов 8 образуют с осями сопрягаемых оптических каналов 2 моноблока 1 угол, который меньше апертуры сопрягаемого оптического канала. Оконцовка выходных оптических волокон разветвителя в виде Бреговской решетки для рабочей длины волны полупроводникового лазера 6 позволяет осуществить дополнительно развязку оптического контура гироскопа с каналами накачки лучистой энергии.
Внутренние полости моноблока 1 соединены с окружающим пространством. Фактически моноблок 1 образует совместно с зеркалами 3 и преобразователем 4 пассивный кольцевой резонатор (оптический контур). Поскольку внутренние полости негерметичны (они не наполнены активным газом, как это имеет место в газовом лазере), то данное условие снижает технологические требования на герметичную фиксацию зеркал 3 и преобразователя 4 относительно моноблока 1.
Преобразователь 4 обеспечивает подвод лучистой энергии к дальнейшей схеме обработки информации, например, к фотоэлектрическому считывающему устройству.
Устройство лазерного гироскопа работает следующим образом. При подаче низковольтного питания на полупроводниковый лазер 6 лучистая энергия по оптическому волокну поступает на вход оптического разветвителя 7. На выходе оптического разветвителя 7 лучистая энергия делится в соотношении 50/50% в силу его конструктивно-технологического исполнения. Сформированные таким образом теперь уже два идентичных когерентных источника лучистой энергии по оптическим волокнам в противофазе поступают соответственно через дополнительные оптические каналы 8 в сопрягаемые оптические каналы 2. Потоки лучистой энергии замыкаются в оптическом контуре моноблока 1 элементами 3 и юстируются элементом 4. В итоге, в оптическом контуре моноблока 1 циркулируют в противоположных направлениях электромагнитные поля лучистой энергии полупроводникового лазера 6 и устанавливается система стоячих волн, которая проявляется в виде интерференционной картины за счет работы преобразователя 4. При этом развязка канала накачки и рабочего канала оптического контура 1 реализуется за счет применения специальной оконцовки разветвителя на его выходе - Бреговской решетки для рабочей длины волны полупроводникового лазера 6.
Образуемая при вращении гироскопа вокруг своей оси динамическая интерференционная картина, представляющая собой интерференционные полосы, следующие друг за другом с определенной разностью частот, фиксируется фотоприемником, входящим в систему обработки информационного сигнала от лазерного гироскопа.
На его выходе получается электрический сигнал переменного тока. Частота этого тока пропорциональна измеряемой абсолютной угловой скорости вращения моноблока 1 вокруг своей оси. Фазовая составляющая частоты выходного сигнала указывает на направление угловой скорости вращения.
Заявленное техническое решение имеет отличия от наиболее близких аналогов и удовлетворяет условию патентоспособности изобретения «новизна».
Техническое решение явным образом не следует из уровня техники. Кроме того, в процессе патентного поиска не выявлены технические решения, имеющие признаки, совпадающие с отличительными признаками заявленного технического решения.
Заявленное изобретение технически осуществимо, промышленно реализуемо на приборостроительном предприятии. Использование заявляемого устройства позволяет создавать лазерные моноблочные гироскопы с полупроводниковыми источниками излучения для навигационных систем объектов, которые в процессе выполнения своих функций подвергаются значительным механическим нагрузкам, широкодиапазонным температурным воздействиям и другим дестабилизирующим факторам, обладая при этом высокой надежностью и приемлемыми техническими параметрами как датчики угловых скоростей.
В связи с этим заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».