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 элементов 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 параметрами. 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, на выходе которого образуется сигнал разностной частоты интерферирующих встречных волн. Данное явление получило специфическое название по имени его открывателя - эффект М. Санъяка.
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 лазерных гироскопов применяют, как правило, треугольные, четырехугольные и волоконно-оптические кольцевые резонаторы.
Известны различные волоконно-оптические конструкции лазерного гироскопа [Иванов В.В., Новиков М.А., Геликонов В.М. Наблюдение эффекта Саньяка в кольцевом резонаторном интерферометре с низкокогерентным источником света. / Квантовая электроника, 30, №2 (2000) - С.119-124; Бутусов М.М. Волоконная оптика в приборостроении. - М. Машиностроение, 1985. - С.143-159].
Типовая конструкция волоконно-оптического лазерного гироскопа описана в [Байбородин Ю.В. Основы лазерной техники. - 2-е изд., перераб. и доп. - К.: Выща школа. Головное изд-во, 1988. - С.299-302]. Сущность конструктивного решения аналога раскрывает чертеж на Фиг.1.
Конструктивно система содержит: 1 - лазерный диод; 2 - устройство ввода-вывода излучения; 3 - катушка со световолокном; 4 - линза; 5 - фотодиод; 6 - полупрозрачное зеркало.
Конструктивной основой прибора является непосредственно каркас катушки, на которую витками наматывается световолокно большой длины (500-1000 м) для повышения чувствительности гироскопа. Для обеспечения условия монохромности оптоволокно используется одномодовое. Все остальные элементы крепятся на каркасе. Линза 4 в совокупности с полупрозрачным зеркалом 6 образуют волоконный ответвитель/ращепитель оптического луча гироскопа, реализуя встречное движение лучистой энергии по кольцевому резонатору и частичный ее съем в виде интерференционной картины на фотодиод 5. За счет этого реализуется эффект Саньяка в пассивном контуре.
Достоинствами данной конструкции следует считать:
1. Надежность системы, которая определяется полупроводниковым источником излучения, низковольтным питанием.
2. Конструктивная простота устройства с максимальным количеством унифицированных деталей.
3. Экономическая целесообразность, которая определяется максимальным уровнем унифицированных деталей.
К недостаткам данной конструкции следует отнести:
1. Нелинейность выходного сигнала при малой угловой скорости из-за малой чувствительности системы даже при длинах оптоволокна 1000 м.
2. Недостаточная жесткость конструкции, что определяет дрейф выходного сигнала из-за смещения витков катушки при сильных вибрациях объекта, на котором установлен гироскоп.
3. Изменение длины оптического пути под воздействием теплового расширения, давления и механических деформаций.
Наиболее 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]. Сущность конструктивного решения прототипа раскрывает чертеж на Фиг.2.
Конструктивно система содержит: 1 - корпус; 2 - аноды; 3,6 - зеркала с высокой отражательной способностью; 4 - цилиндрические каналы; 5 - катод; 7 - диафрагма; 8 - полупрозрачное зеркало; 9 - призма.
Корпус 1 прибора - монолитный блок из плавленого кварца, в котором просверлены цилиндрические каналы 4. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены зеркала 3, 6 и 8. Зеркала 3 и 6 имеют отражательную поверхность с очень высокой отражательной способностью в диапазоне рабочих частот излучения, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало 8 является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала. Поверхность отражающего зеркала 3 выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура.
Для обеспечения достаточной жесткости системы зеркала соединяются с кварцевым блоком 1 методом молекулярной адгезии, для чего контактирующие поверхности кварцевого блока и зеркал делаются предельно плоскими и тщательно полируются. Внутренние полости блока заполняются смесью гелия и неона под давлением около 5 мм рт. Ст. и образуют совместно с зеркалами объемный резонатор. В кварцевом блоке располагаются также электроды системы самовозбуждения оптического квантового генератора (ОКГ) - два анода 2 и катод 5. Полупрозрачное зеркало 8 контактирует с призмой 9, обеспечивающей подвод лучистой энергии к фотоэлектрическому считывающему устройству. В одном из каналов резонатора располагается диафрагма 7, регулировка которой обеспечивает одномодовый режим работы ОКГ.
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 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 и сложность технологии сборки моноблока и системы зеркал устройства.
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 изобретения состоит в создании лазерного гироскопа, обладающего достоинствами газового и волоконно-оптического гироскопов, параметры которого остаются приемлемыми для навигационных задач при повышенной общей надежности системы.
Заявляемое устройство содержит треугольный оптический моноблок со сформированными оптическими каналами, зеркала полного отражения лучистой энергии, полупрозрачное зеркало и призму для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины, а в качестве источника оптического излучения в устройство включен полупроводниковый лазер, для обеспечения одномодового режима излучения которого последний снабжен дополнительным внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы, углы при основании которой составляют 40-60 градусов, толщина равна толщине оптического моноблока, а поверхность покрыта светоотражающим покрытием, причем параллельно ее основанию, симметрично, на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оптических каналов моноблока и реализующих в резонаторе излучателя продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным каналом моноблока, а для сопряжения источника излучения в оптическом моноблоке сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора излучателя так, что сформированный оптический канал являлся продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока.
Общими для заявляемого устройства и прототипа являются следующие признаки:
- треугольный оптический моноблок,
- сформированные в треугольном оптическом моноблоке оптические каналы,
- зеркала полного отражения лучистой энергии,
- полупрозрачное зеркало;
- призма для съема информации в виде лучистой энергии интерференционной картины.
Отличительными от прототипа являются следующие признаки:
- полупроводниковый лазер в качестве источника оптического излучения,
- дополнительный внешний оптический резонатор в виде усеченной призмы, углы при основании которой составляют 40-60 градусов, а толщина равна толщине оптического моноблока,
- внешний оптический резонатор покрыт светоотражающим покрытием, причем параллельно его основанию, симметрично, на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне, совпадающем с уровнем оптических каналов моноблока и реализующих в резонаторе излучателя продольный оптический канал, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом моноблока,
- для сопряжения источника излучения в оптическом моноблоке сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора излучателя так, что сформированный оптический канал являлся продолжением оптического канала моноблока, замыкая кольцевую оптическую схему моноблока.
Сущность конструктивного решения заявляемого устройства раскрывает чертеж на Фиг.3. Заявляемая конструкция устройства содержит: 1 - треугольный оптический моноблок; 2 - цилиндрические каналы; 3, 4 - зеркала с высокой отражательной способностью; 5 - полупрозрачное зеркало; 6 - призма; 7 - дополнительный оптический резонатор; 8 - полупроводниковый лазер.
Треугольный оптический моноблок 1 изготовлен из оптически прозрачного материала, например, из плавленого кварца или органического стекла, в котором просверлены цилиндрические каналы 2. Оси этих каналов лежат в одной плоскости и образуют равносторонний треугольник, в вершинах которого расположены зеркала 3, 4 и 5. Зеркала 3 и 4 имеют отражательную поверхность с очень высокой отражательной способностью в диапазоне рабочих частот излучения, что достигается, например, применением многослойного диэлектрического покрытия. Зеркало является полупрозрачным, благодаря чему осуществляется вывод лучистой энергии из контура для съема выходного сигнала. Поверхность отражающего зеркала 3 выполнена в виде участка сферы большого радиуса, что позволяет значительно упростить юстировку оптического контура моноблока 1.
Внутренние полости блока полируются и соединены с окружающим пространством. Фактически моноблок 1 образует совместно с зеркалами пассивный кольцевой резонатор. Поскольку внутренние полости не герметичны (они не наполнены активным газом, как это имеет место в газовом лазере), то данное условие снижает технологические требования на герметичную фиксацию зеркал относительно моноблока 1. Полупрозрачное зеркало 5 контактирует с призмой 6, обеспечивающей подвод лучистой энергии к фотоэлектрическому считывающему устройству.
В качестве источника оптического излучения в устройство включен полупроводниковый лазер 8, для обеспечения одномодового режима излучения которого последний снабжен дополнительным внешним оптическим резонатором в виде усеченной призмы 7 с основанием L, высотой Н и толщиной равной толщине моноблока. Боковые грани усеченной призмы 7 образованы с углом β, равным 40÷60 градусов. В оптическом резонаторе сформировано посадочное место под полупроводниковый лазерный диод диаметром С. Данный оптический резонатор призван дополнительно скорректировать волновой фронт излучения полупроводникового лазера, поскольку непосредственно полупроводниковый лазер является многомодовой структурой. Сущность конструктивного решения дополнительного оптического резонатора раскрывает чертеж на Фиг.4. Усеченная призма резонатора 7 изготавливается из того же материала, что моноблок 1. Поверхность резонатора 7 покрыта светоотражающим покрытием, например, тонкопленочным покрытием из меди (Cu), серебра (Ag) или алюминия (Al). Параллельно основанию резонатора 7 на боковых гранях сформированы два оптически прозрачных отверстия на уровне Н, совпадающем с уровнем оптических цилиндрических каналов 2 моноблока 1. Это позволяет создать в резонаторе излучателя 7 продольный оптический канал диаметром В, по геометрии и положению совпадающий с основным цилиндрическим каналом 2 моноблока 1.
В итоге, излучение от полупроводникового лазера 8 формируется в виде параллельного пучка вдоль созданного канала, т.е. имеет место почти плоский волновой фронт, а излучение является узконаправленным и двухсторонним.
Для сопряжения источника оптического излучения 8 в оптическом моноблоке 1 сформировано посадочное место, геометрия которого совпадает с геометрией оптического резонатора 7 излучателя так, что сформированный оптический канал является продолжением оптического канала 2 моноблока 1, что позволяет замкнуть кольцевую оптическую схему моноблока 1.
Устройство лазерного гироскопа работает следующим образом. При подаче низковольтного питания на лазерный диод 8 последний генерирует многомодовое излучение. Для нормального функционирования заявляемого устройства целесообразно, чтобы излучение было максимально близко к одномодовому. Дополнительный оптический резонатор 7 фактически является пассивным резонатором Фабри-Перо. Его конструкция позволяет сформировать узконаправленное и двухстороннее излучение от лазерного диода 8 в горизонтальном оптическом канале. Данное излучение системой зеркал 3, 4, 5 юстируется таким образом, чтобы световой луч беспрепятственно двигался по замкнутому конуру, образованному тремя цилиндрическими каналами 2. В итоге, в контуре циркулируют в противоположных направлениях электромагнитные поля излучения лазерного диода 8 и при отсутствии изменяющейся абсолютной угловой скорости устанавливается система стоячих волн. Среднее угловое положение узлов и пучностей этой системы координат не изменяется при вращении контура (моноблока 1) вокруг свой оси, перпендикулярной к его плоскости, что объясняется соответственным излучением частот излучений, распространяющихся в разные стороны.
Для съема выходного сигнала лазерного датчика угловых скоростей (лазерного гироскопа) полупрозрачное зеркало 5 и призмой 6 встречные лучи выводятся из контура по малым углом друг к другу. Образуемая при этом 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 свой оси. Фазовая составляющая частоты выходного сигнала указывает на направление угловой скорости вращения.
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 воздействия и другим дестабилизирующих факторов, обладая при этом высокой надежностью и приемлемыми техническими параметрами как датчики угловых скоростей.