Способ измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевых резонаторах лазерных гироскопов

Изобретение относится к приборостроению и может быть использовано в системах контроля параметров кольцевых резонаторов (КР) лазерных гироскопов (ЛГ).

Предлагаемый способ относится к области лазерных гироскопов на основе кольцевых He-Ne лазеров с длиной волны 632,8 нм, используемых для решения многих задач навигации, измерения угловых перемещений, геодезии и геофизики.

Одним из основных источников погрешности ЛГ является обратное рассеяние (ОР) на зеркалах кольцевого резонатора, приводящее к появлению зоны нечувствительности при малых скоростях вращения (так называемый порог захвата) и нелинейным искажениям масштабного коэффициента [F. Aronowitz. Optical Gyros and their Applications. RTO AGARDograph 339, 3-1, 1999].

При анализе частотных характеристик кольцевого лазера удобно использовать комплексные величины S₊ и S_-, представляющие собой соответственно сумму и разность комплексных коэффициентов связи встречных волн кольцевого лазера в направлении по часовой стрелке r_cwexp(iϕ_cw) и комплексно-сопряженного коэффициента связи в направлении против часовой стрелки r_ccwexp(-iϕ_ccw):

S₊=[r_cwexp(iϕ_cw)+r_ccwexp(-iϕ_ccw)],

S_-=[r_cwexp(iϕ_cw)-r_ccwexp(-iϕ_ccw)].

В случае слабой связи, когда Ω< , имеем следующее соотношение:

где ω - частота биений КЛ, Ω - частотная подставка, с - скорость света, L - периметр КР. Частоты в соотношении для частоты биений имеют размерности [рад/сек].

Следует также заметить, что это соотношение записано для нулевой расстройки частоты генерации лазера относительно центра линии усиления активной среды. Параметр Ω_G представляется в виде следующего соотношения:

Коэффициенты β и θ являются соответственно параметрами само и взаимного нелинейного насыщения встречных волн в активной среде, α - коэффициент усиления активной среды.

Нетрудно получить следующие соотношения для модулей S₊ и S_-:

Таким образом, частотная характеристика лазерного гироскопа определяется величинами комплексных коэффициентов связи (КС), или, более точно, тремя параметрами ОР: двумя модулями КС и суммарным фазовый сдвиг, возникающим при обратном рассеянии света (ϕ=ϕ_CW+ϕ_CCW). При этом порог захвата КЛ Ω_L определяется величиной модуля S₊:

В процессе изготовления ЛГ проходит сложный технологический цикл, включающий в себя сборку и юстировку КР, вакуумно-технологическую обработку, заполнение рабочей газовой смесью. На конечной стадии сборки проводят проверку основных эксплуатационно-точностных параметров ЛГ. После этого проводят отбраковку годных для использования ЛГ.

Введение методов контроля комплексных коэффициентов связи непосредственно в кольцевом резонаторе позволяет уже на стадии его сборки отбраковать негодные резонаторы, что позволяет не только избежать трудоемких технологических процессов, но и в конечном счете увеличить количество годных ЛГ.

Известен способ контроля параметров кольцевых резонаторов лазерных гироскопов [F. Aronowitz and R.J. Collins, "Mode coupling Due to Backscattering in a He-Ne Traveling-wave Ring Laser", Applied Physics Letters, 9, 55 1966], позволяющий оценить величины комплексных КС по результатам измерения зависимости частоты биений встречных волн кольцевого резонатора от скорости вращения.

Недостатком этого способа является относительно высокая сложность, т.к. информация о величине комплексных коэффициентов связи формируется после проведения длительного и дорогостоящего комплекса вакуумно-технологической обработки и наполнения моноблочного кольцевого резонатора рабочей He-Ne газовой смесью.

Известен также способ [US 4884283 А, 28.11.1989], заключающийся в том, что в кольцевом резонаторе при помощи излучения внешнего He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм возбуждают собственное колебание в одном из направлений и по результатам измерения обратного рассеяния определяют величину порога захвата, по превышении допустимого значения которого принимают решение от отбраковке кольцевого резонатора.

Авторы этого способа попытались устранить недостаток описанного выше способа и ввели контроль интенсивности обратного рассеяния на стадии юстировки КР. Фактически это дало возможность измерить модуль коэффициента связи в одном из направлений, что, как следует из приведенных выше соотношений, недостаточно для прогнозирования погрешностей ЛГ, связанных с ОР.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [RU 2570096, С1, H01S 3/083, G01C 19/66 от 10.12.2015], заключающийся в том, что возбуждают в кольцевом резонаторе волны собственных колебаний с помощью излучения внешнего лазера и дополнительно возбуждают в кольцевом резонаторе собственное колебание во встречном направлении путем установки у выходного зеркала кольцевого резонатора возвратного зеркала, проводят измерение временных зависимостей интенсивностей встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора, при продольном перемещении возвратного зеркала на расстояние, превышающее половину длины волны лазерного излучения.

Недостатком способа является относительная низкая точность измерений, связанная, главным образом, с несимметричным способом возбуждения мод резонатора во встречных направлениях. Как следствие, контрасты регистрируемых интерференционных картин для встречных волн значительно различаются.

Требуемый технический результат заключается в повышении точности измерения комплексных коэффициентов связи кольцевых резонаторов.

Поставленная задача решается, а требуемый технический результат достигается тем, что в способе, согласно которому в кольцевом резонаторе формируют встречные волны путем возбуждения волны собственных колебаний во встречных направлениях с помощью излучения внешнего лазера, согласно изобретению встречные волны формируют равной интенсивности, вводят фазовый сдвиг между ними и определяют величины комплексных коэффициентов связи по временным зависимостям интенсивностей волн, выходящих из кольцевого резонатора.

Кроме того, требуемый технический результат достигается тем, что для формирования встречных волн равной интенсивности в кольцевом резонаторе излучение внешнего лазера делят излучения равной интенсивности с помощью полупрозрачного светоделительного зеркала, выходные излучения которого вводят с помощью поворотных зеркал в кольцевой резонатор во встречных направлениях.

На чертеже представлены:

на фиг. 1 - схема оптической части устройства, реализующего предложенный способ измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевых резонаторах лазерных гироскопов;

на фиг. 2 - функциональная схема устройства для измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевом резонаторе на основе предложенного способа;

на фиг. 3 - результаты измерений комплексных коэффициентов связи в кольцевом резонаторе при противофазном ходе двух пьезкорректоров (здесь же представлены прогнозируемые величины порога захвата ЛГ, полученные с использованием измеренных величин комплексных коэффициентов связи).

На чертеже обозначены:

1 - кольцевой резонатор, 2 - полупрозрачное светоделительное зеркало, 3 - He-Ne лазер с длиной волны 632,8 нм, 4 - оптический изолятор, 5, 6, 7 - повортные зеркала, 8 - первое фотоприемное устройство, 9 - второе фотоприемное устройство, 10 - блок регистрации оптических сигналов, 11, 12, 13, 14, 15 - пьезоэлектрические корректоры, 16 - блок стабилизации частоты, 17 - блок управления пьезоэлектрическими корректорами, 18 - персональный компьютер, 19 - блок питания пьезокорректора.

Предложенный способ измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевых резонаторах лазерных гироскопов реализуется следующим образом.

Предварительно приведем теоретическое описание предлагаемого способа измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевых резонаторах лазерных гироскопов.

Соотношения для волн, выходящих из кольцевого резонатора, можно записать в следующем виде:

Здесь χ_cw и χ_ccw - фазы встречных волн в направлении по и против часовой стрелки соответственно, δ - потери кольцевого резонатора по интенсивности.

Для симметричной схемы можно считать, что интенсивности встречных волн равны:

Е₀=E_cw=E_ccw.

Тогда соотношения для интенсивности волн, выходящих из резонатора, можно записать в виде:

Таким образом, при введении разности фаз между встречными волнами в интенсивностях волн будет наблюдаться чередование максимумов и минимумов. Контрасты этих экстремумов прямо пропорциональны модулям коэффициентов связи и позволяет определить их величины. При этом положения экстремумов оказываются сдвинутыми друг относительно друга. По величине этого сдвига определяется величина суммарного фазового сдвига из-за обратного рассеяния.

Например, в случае, когда положение минимума интенсивности одной из волн совпадает с положением максимума встречной волны, суммарный фазовый сдвиг равен π радиан. Как правило, в кольцевых резонаторах величина ϕ=ϕ_CW+ϕ_CCW незначительно отличается от π. Для большей наглядности на фиг. 3 зависимость для фазового сдвига дана в виде отличия его величины от π, т.е. для ψ=ϕ-π.

Согласно схеме оптической части устройства, реализующего предложенный способ измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевых резонаторах лазерных гироскопов (фиг. 1), излучение лазера попадает в кольцевой резонатор 1 через смесительную систему, состоящую из полупрозрачного светоделительного зеркала 2 и двух поворотных зеркал 5 и 6, возбуждая собственные колебания во встречных направлениях. Разность фаз между встречными волнами вводится при помощи перемещения поворотных зеркал 5 и 6. На фиг. 2 представлена полная функциональная схема устройства для измерения комплексных коэффициентов связи в кольцевом резонаторе на основе предложенного способа. Предварительно перед поведением измерений, осуществляют «привязку» частоты генерации He-Ne лазера 4 с длиной волны 632,8 нм к частоте собственного колебания кольцевого резонатора 1. Для этого сигнал резонанса мощности, регистрируемый при помощи второго фотоприемного устройства 9, подается на вход блока 16 стабилизации частоты. Выход блока 16 стабилизации частоты подключается к входу пьезоэлектрического корректора 14, установленного на одном из зеркал кольцевого резонатора 1 и позволяющего контролировать частоту собственного колебания кольцевого резонатора 1. Пьезоэлектрические корректоры 11, 12, 13 подключены к блоку 17 управления, осуществляющему необходимые режимы перемещения поворотных зеркал 12, 13, а также одного из зеркал He-Ne лазера 4 с длиной волны 632,8 нм. Перемещением пьезоэлектрического корректора 15 управляет блок 19 питания пьезокорректора. Для снижения влияния обратных отражений волн, выходящих из кольцевого резонатора 1 и попадающих в He-Ne лазера 3 с длиной волны 632,8 нм, перед его выходным зеркалом устанавливают оптический изолятор 4.

Интенсивности встречных волн, выходящих из кольцевого резонатора 1, регистрируются при помощи первого 8 и второго 9 фотоприемных устройств, а также при помощи блока 10 регистрации оптических сигналов, выполненного, например, в виде аналого-цифрового преобразователя. Выход этого блока подсоединяется к персональному компьютеру 18, где осуществляется обработка регистрируемых сигналов и определяются величины комплексных коэффициентов связи. В результате определяются величины модулей коэффициентов связи встречных волн и суммарный фазовый сдвиг из-за обратного рассеяния.

На фиг. 3 представлены результаты измерений комплексных коэффициентов связи в кольцевом резонаторе кольцевого He-Ne лазера с длиной волны 632,8 нм, в частности зависимости параметров обратного рассеяния при противофазном ходе пьезоэлектрических корректоров, управляющих периметром кольцевого резонатора. Для этого пьезоэлектрический корректор 15 подключался к блоку 19 питания и все измерения производились при изменении этого напряжения в диапазоне 0-200 В. На фиг. 3 представлена также зависимость прогнозируемой величины порога захвата ЛГ.

Таким образом, благодаря усовершенствованию известного способа в предложенном изобретении достигается требуемый технический результат, заключающийся в повышении точности измерения комплексных коэффициентов связи кольцевых резонаторов, поскольку, в частности, обеспечивается симметричный способ возбуждения мод резонатора во встречных направлениях.