Патент на изобретение №2331846

(54) СТАБИЛИЗИРОВАННЫЙ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ ЛАЗЕРНЫЙ ГИРОСКОП

(57) Реферат:

Изобретение относится к гироскопам на твердотельных лазерах для измерения скоростей вращения объектов. Внесение в резонатор (1) регулируемых в соответствии с разностью интенсивностей встречных мод оптических потерь, зависящих от направления распространения излучения, при помощи оптического блока, включающего поляризующий элемент (71), первый элемент (7), обладающий взаимным эффектом, влияющим на поляризацию волн, и второй элемент (8), обладающий невзаимным эффектом, также влияющим на поляризацию волн, при этом по меньшей мере один из двух эффектов является регулируемым, позволяет уменьшить нестабильность резонатора. 14 з.п. ф-лы, 10 ил.

Настоящее изобретение относится к гироскопам на твердотельных лазерах для измерения скоростей вращения (угловых скоростей) объектов. Оборудование данного типа применимо, в частности, в области аэронавигации.

Лазерные гироскопы были разработаны около 30 лет назад и широко применяются в наше время. Принцип их работы основан на эффекте Саньяка, вызывающем возникновение разности частот между двумя модами оптического излучения, распространяющимися в противоположных направлениях, называемыми встречными или противоположно распространяющимися модами, двунаправленного кольцевого лазерного резонатора при его вращении. Как правило, разность частот равна:

=4 A /L,

где L и А – соответственно длина и площадь резонатора, – длина волны лазерного излучения без учета эффекта Саньяка, a – скорость вращения устройства.

Используя значение , измеренное путем спектрального анализа биения двух излучаемых лучей, с очень высокой точностью получают значение .

Также можно показать, что лазерный гироскоп работает точно только при скоростях вращения, превышающих определенный уровень, необходимый для уменьшения влияния связи встречных мод. Диапазон скоростей вращения, находящийся ниже этого уровня, обычно называют зоной нечувствительности.

Условием для наблюдения биений, а значит, и для работы лазерного гироскопа, является стабильность и относительное равенство интенсивностей излучения, испускаемого в обоих направлениях. Выполнение данного условия априори не является простой задачей из-за явления межмодовой конкуренции, означающего, что одна из двух встречных мод монопольно использует имеющееся усиление в ущерб другой моде.

В стандартных лазерных гироскопах данную проблему решают за счет применения газообразной активной среды, обычно гелий-неоновой смеси, работающей при комнатной температуре. Линия усиления такой газовой смеси проявляет доплеровское уширение, обусловленное тепловым возбуждением атомов. Таким образом, только атомы, скорость движения которых вызывает доплеровское смещение частоты перехода, способны создавать усиление моды с заданной частотой, что вводит атом в резонанс с соответствующей модой. Если лазерное излучение генерировать в стороне от центра линии усиления (за счет пьезоэлектрической коррекции оптической длины пути), это гарантирует, что атомы, находящиеся в резонансе с лазерным резонатором, имеют ненулевую скорость. Следовательно, атомы, способные обеспечить усиление волны, распространяющейся в одном из двух направлений, имеют скорость, направление которой противоположно скорости движения атомов, способных обеспечить усиление волны, распространяющейся в противоположном направлении. Поэтому система ведет себя так, как если бы в ней существовали две независимые активные среды, по одной для каждого направления. Поскольку межмодовая конкуренция при этом исчезает, достигается стабильное и уравновешенное двунаправленное излучение (на практике с целью решения других проблем используют смесь, состоящую из двух различных изотопов неона).

Вместе с тем, газообразная природа такой активной среды является источником технических сложностей при производстве лазерных гироскопов (в особенности, ввиду требования к высокой степени чистоты газа) и преждевременного износа в процессе эксплуатации (утечка газа, износ электродов, высокое напряжение, применяемое для создания инверсии населенностей и т.д.).

В настоящее время имеется возможность производства твердотельного лазерного гироскопа, работающего в видимом или ближнем инфракрасном диапазоне, с использованием вместо гелий-неоновой газовой смеси, например, активной среды на основе кристаллов алюмоиттриевого граната (АИГ), легированного неодимом; в этом случае оптическая накачка осуществляется диодными лазерами, работающими в ближнем инфракрасном диапазоне. Также существует возможность использовать в качестве активной среды полупроводниковый материал, кристаллическую матрицу или стекло, легированное ионами редкоземельных металлов (эрбия, иттрия и т.д.). Таким способом фактически решаются все проблемы, связанные с газообразным состоянием активной среды. Однако такая конструкция сложна в построении из-за однородного характера уширения линии усиления твердотельных сред, что вызывает чрезвычайно сильную межмодовую конкуренцию, а также из-за существования множества различных рабочих режимов, среди которых одним из особо нестабильных является режим двунаправленной генерации с уравновешиванием интенсивностей, который называют “режимом биений” (N.V.Kravtsov, E.G.Lariontsev, “Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid state ring lasers”. Quantum Electronics, том 24, №10, стр.841-956, 1994, см. также И.В.Кравцов, Е.Г.Ларионцев, “Автомодуляционные колебания и релаксационные процессы в твердотельных кольцевых лазерах”, Квантовая электроника, том 24, №10, стр.903-918, 1994. Это серьезное физическое препятствие до настоящего времени в значительной мере сдерживало разработку твердотельных лазерных гироскопов.

Одно из технических решений, применяемых для устранения данного недостатка, заключается в ослаблении эффектов конкуренции между встречными модами в твердотельном кольцевом лазере за счет внесения в лазерный резонатор оптических потерь, зависящих от направления распространения оптической моды и ее интенсивности. В основу положен принцип модуляции таких потерь при помощи устройства обратной связи в соответствии с разностью интенсивностей двух излучаемых мод в пользу более слабой моды и в ущерб другой из двух мод таким образом, чтобы приводить интенсивность обеих встречных мод к общему значению.

В 1984 г. было предложено устройство обратной связи, в котором потери создавали при помощи оптического блока, в основном состоящего из элемента с непостоянным эффектом Фарадея и поляризующего элемента (A.V.Dotsenko, E.G.Lariontsev, “Use of a feedback circuit for the improvement of the characteristics of a solid-state ring laser”. Soviet Journal of Quantum Electronics, том 14, №1, стр.117-118, 1984, и A.V.Dotsenko, L.S.Komienko, N.V.Kravtsov, E.G.Lariontsev, O.E.Nanii, A.N.Shelaev, “Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regime in a solid-state ring laser”. Soviet Journal of Quantum Electronics, том 16, №1, стр.58-63, 1986).

Принцип работы этого устройства обратной связи иллюстрируется на фиг.1. Он заключается в том, что в кольцевой резонатор 1, состоящий из трех зеркал 11, 12 и 13 и активной среды 19, вводят оптический блок, который помещают на пути распространения встречных мод 5 и 6, при этом названный блок состоит из поляризующего элемента 71 и оптического стержня 72, обладающего эффектом Фарадея, на который навита индукционная катушка 73. На выходе резонатора оптические моды 5 и 6 поступают в измерительный фотодиод 3. Одну часть лучей 5 и 6 отводят при помощи двух полуотражающих пластин 43 и направляют на два фотодетектора 42. Выходные сигналы названных фотодетекторов характеризуют интенсивность излучения двух встречных мод 5 и 6. Названные сигналы передают в электронный модуль 4 обратной связи, который вырабатывает электрический ток, пропорциональный разности интенсивностей излучения двух оптических мод. Этот электрический ток определяет величину потерь, понесенных каждой из встречных мод 5 и 6. Если один из лучей имеет более высокую интенсивность излучения, чем другой, его интенсивность будет ослаблена в большей степени, чтобы на выходе лучи имели одинаковый уровень интенсивности. Таким образом достигается стабилизация режима двунаправленной генерации по интенсивности.

Твердотельный лазерный гироскоп может работать по этому принципу только в том случае, если параметры устройства обратной связи согласованы с динамическими характеристиками системы. Чтобы устройство обратной связи могло обеспечивать верные результаты, должны быть выполнены три условия:

– дополнительные потери, вносимые в резонатор устройством обратной связи, по величине должны быть того же порядка, что и собственные потери в резонаторе (внутрирезонаторные потери);

– для удовлетворительной работы устройства обратной связи скорость реакции устройства обратной связи должна быть выше скорости изменения интенсивностей излучаемых мод;

– наконец, сила обратной связи такого устройства должна быть достаточной для того, чтобы возникающий в резонаторе эффект компенсировал изменения интенсивностей.

Для определения комплексных амплитуд E_1,2 полей встречных оптических мод используются уравнения Максвелла-Блоха, а также плотность N инверсии населенностей. Их получают при помощи модели промежуточного типа (N.V.Kravtsov, E.G.Lariontsev, “Self-modulation oscillations and relaxations processes in solid state ring lasers”. Quantum Electronics, том 24, №10, стр.841-956, 1994).

Эти уравнения имеют следующий вид:

Уравнение 1: dE_1,2/dt=-(/2Q_1,2)E_1,2+i(m_1,2/2)E_2,1±i(/2)E_1,2+

(/2Т)(Е_1,2^lNdx+E_2,1^lNe^±2ikxdx),

Уравнение 2: dN/dt=W-(N/T₁)-(a/T₁)N|E₁e^-ikx+E₂e^ikx|²,

где

индексы 1 и 2 обозначают две встречные оптические моды;

– частота излучения лазера без учета эффекта Саньяка;

Q_1,2 – коэффициенты добротности резонатора в двух направлениях распространения;

m_1,2 – коэффициенты обратного рассеяния резонатора в двух направлениях распространения;

– эффективное сечение лазерного излучения;

l – длина проходимой излучением усиливающей среды;

Т=L/c – время распространения каждой моды резонатора;

k=2/ – норма волнового вектора;

W – скорость накачки;

Т₁ – время жизни возбужденного уровня; и

а – параметр насыщения, равный Т₁/8.

Правая часть уравнения 1 состоит из четырех членов. Первый член уравнения соответствует изменению поля вследствие потерь в резонаторе, второй член соответствует изменению поля в результате обратного рассеяния одной моды в направлении другой моды в присутствии рассеивающих элементов внутри резонатора, третий член соответствует изменению поля под влиянием эффекта Саньяка и четвертый член соответствует изменению поля из-за присутствия активной среды. Четвертый член уравнения состоит их двух компонентов, первый из которых соответствует вынужденному излучению, а второй соответствует обратному рассеянию одной моды в направлении другой моды в присутствии решетки инверсии населенностей в активной среде.

Правая часть уравнения 2 состоит из трех членов, первый из которых соответствует изменению плотности инверсии населенностей вследствие оптической накачки, второй член соответствует изменению плотности инверсии населенностей в результате индуцированного излучения, и третий член соответствует изменению плотности инверсии населенностей вследствие самопроизвольного излучения.

Следовательно, средние потери Р_c, относящиеся к самому резонатору, после полного оборота оптической моды составляют:

P_c=T/2Q_1,2 согласно первому члену правой части уравнения 1.

Потери P_f, вносимые устройствами обратной связи, должны быть того же порядка величины, что и эти средние потери Р_c. Обычно такие потери составляют порядка 1%.

Скорость реакции устройства обратной связи можно охарактеризовать шириной полосы пропускания у этого устройства. С использованием уравнений 1 и 2 было продемонстрировано (A.V.Dotsenko, E.G.Lariontsev, “Use of a feedback circuit for the improvement of the characteristics of a solid-state ring laser”, Soviet Journal of Quantum Electronics, том 14, №1, стр.117-118, 1984 и A.V.Dotsenko, L.S.Komienko, N.V.Kravtsov, E.G.Lariontsev, O.E.Nanii, A.N.Shelaev, “Use of a feedback loop for the stabilization of a beat regime in a solid-state ring laser”. Soviet Journal of Quantum Electronics, том 16, №1, стр.58-63, 1986), что достаточное условие для установления устойчивого режима двунаправленной генерации свыше скорости вращения можно записать в следующем виде:

>>/[Q_1,2(T₁)²],

где =(W-W_порог.)/W, a соответствует относительной скорости накачки свыше пороговой величины W_порог.

Для примера, при относительной скорости накачки , равной 10%, оптической частоте , равной 18×10¹⁴, коэффициенте добротности Q_1,2, равном 10⁷, разности частот , составляющей 15 кГц, и времени жизни возбужденного состояния T₁, составляющем 0,2 мс, ширина полосы пропускания должна превышать 40 кГц.

Для точной работы контура обратной связи необходимо также удовлетворить следующему отношению:

(T₁)²>>1.

Обычно силу обратной связи q устройства обратной связи определяют следующим образом:

q=[(Q₁-Q₂)/(Q₁+Q₂)]/[(I₂-I₁)/(I₂+I₁)],

где I₁ и I₂ – интенсивности излучения двух встречных мод.

Для применения данного типа было показано, что для точной работы устройства обратной связи параметр q должен превышать 1/(T₁)².

Задачей настоящего изобретения является создание стабилизирующего устройства для твердотельного лазерного гироскопа, которое состоит из системы обратной связи, вносящей оптические потери, зависящие от направления распространения, на основе сочетания трех физических эффектов: а именно взаимного поворота направления (плоскости) поляризации, невзаимного поворота направления поляризации и поляризации. Предлагаемое в настоящем изобретении стабилизирующее устройство позволяет обеспечивать условия, необходимые для надежной работы лазерного гироскопа.

В оптическом компоненте присутствует невзаимный оптический эффект, если состояние поляризации света после его прохождения через этот компонент в прямом и обратном направлении отличается от начального состояния поляризации. Материалами, обладающими эффектом Фарадея, являются такие материалы, которые под воздействием магнитного поля поворачивают направление поляризации проходящего через них линейно поляризованного луча. Этот эффект является невзаимным. Так, при прохождении того же луча в обратном направлении направление его поляризации повернется в ту же сторону. Этот принцип иллюстрируется на фиг.2а. При прохождении линейно поляризованного луча 5 в прямом направлении через компонент 8, обладающий эффектом Фарадея, направление 51 поляризации луча поворачивается на угол (верхняя схема на фиг.2а). Если распространяющийся в обратном направлении аналогичный луч 6, направление поляризации которого изначально повернуто на угол , повторно вводят в компонент, обладающий эффектом Фарадея, направление 51 его поляризации при прохождении через этот компонент снова повернется на угол , при этом суммарный угол поворота после прохождения в прямом и обратном направлении составит 2 (нижняя схема на фиг.2а). В традиционном компоненте 7, обладающем взаимным эффектом, направление 51 поляризации повернулось бы на угол –, вернувшись в свое начальное состояние (нижняя схема на фиг.2а).

В частности, объектом изобретения является лазерный гироскоп, имеющий по меньшей мере один кольцевой оптический резонатор, который состоит по меньшей мере из трех зеркал, твердотельной активной среды и системы обратной связи, причем резонатор и активная среда обеспечивают существование внутри оптического резонатора двух встречных оптических мод, распространяющихся в противоположных друг другу направлениях, система обратной связи позволяет поддерживать интенсивности двух встречных мод практически одинаковыми и включает в себя по меньшей мере оптический блок, расположенный внутри резонатора и состоящий из поляризующего элемента и устройства, обладающего невзаимным эффектом, влияющим на состояние поляризации встречных мод, отличающийся тем, что оптический блок также содержит устройство, обладающее взаимным эффектом, также влияющим на состояние поляризации встречных мод, а система обратной связи включает средства управления по меньшей мере одним из эффектов устройств, обладающих взаимным и невзаимным эффектами.

Предлагаемое в изобретении решение делает возможными два основных варианта:

– постоянным является взаимный эффект, и в этом случае для функционирования устройства обратной связи регулируемым должен быть невзаимный эффект, или

– постоянным является невзаимный эффект, и в этом случае для функционирования устройства обратной связи регулируемым должен быть взаимный эффект.

Для лучшего понимания изобретения и других его преимуществ изобретение рассмотрено ниже на примере варианта, не ограничивающего возможностей осуществления изобретения, со ссылкой на приложенные чертежи, на которых показано:

на фиг.1 – принцип работы известного из уровня техники устройства обратной связи,

на фиг.2а – принцип невзаимного эффекта Фарадея,

на фиг.2б – общий принцип действия предлагаемого в изобретении устройства внесения потерь, зависящих от направления распространения,

на фиг.3 – общая схема предлагаемого в изобретении устройства обратной связи,

на фиг.4а и 4б – общий принцип действия взаимного эффекта, вносимого непланарным резонатором,

на фиг.5 – общий вид монолитного резонатора,

на фиг.6 – общий вид лазерного гироскопа, имеющего монолитный резонатор,

на фиг.7 – принципиальная схема монолитного непланарного резонатора,

на фиг.8а и 8б – принципиальные схемы создания переменного магнитного поля в монолитном резонаторе, обладающем эффектом Фарадея,

на фиг.9 – принципиальная схема создания стационарного магнитного поля в монолитном резонаторе, обладающем эффектом Фарадея,

на фиг.10 – принципиальная схема выполненного из оптического волокна резонатора лазерного гироскопа.

Принцип сочетания взаимного эффекта с невзаимным оптическим эффектом проиллюстрирован на примере, показанном на фиг.2б, где взаимный и невзаимный эффекты представляют собой просто повороты плоскости линейной поляризации. На двух схемах, приведенных на фиг.2а и 2б, показан участок кольцевого резонатора, в котором циркулируют два встречных оптических луча 5 и 6. Этот резонатор среди прочего имеет оптический блок, состоящий из линейного поляризатора 71, первого элемента 7, обладающего взаимным эффектом, влияющим на направление поляризации линейно поляризованного света, и второго элемента 8, обладающего невзаимным эффектом, также влияющим на направление поляризации света. Для ясности участок резонатора, соответствующий данному оптическому блоку, изображен в виде линии. Направление поляризации оптических лучей обозначено стрелкой. Первый элемент 7 поворачивает поляризацию света на угол в прямом направлении, а второй элемент 8 также в прямом направлении поворачивает поляризацию света на угол . Элемент 7 может быть, в частности, выполнен в виде полуволновой пластины, ось которой повернута на угол /2 относительно оси поляризации линейного поляризатора 71. Элемент 8 может представлять собой фарадеевский вращатель плоскости поляризации, как указано выше. Предположим, что первый оптический луч 5, линейно поляризованный линейным поляризатором 71 и последовательно проходящий через первый и второй элементы, как это показано на схеме в верхней части фиг.2б, после прохождения через первый элемент имеет направление поляризации, повернутое на угол , а после прохождения через второй элемент имеет направление поляризации, повернутое на угол _прям., равный +. Если после обхода резонатора этот луч снова проходит через линейный поляризатор 71, его относительное прохождение Т_прям. будет определяться выражением:

Т_прям.=cos²(+).

Допустим также, что при малых углах вращения относительная потеря интенсивности Р_прям. определяется уравнением

Р_прям.=(+)²,

полученным методом конечного расширения второго порядка косинусоидной функции.

Предположим, что линейно поляризованный второй оптический луч 6, последовательно проходящий через второй и первый элементы в направлении, противоположном первому лучу 5, как это показано на схеме в нижней части фиг.2b, после прохождения через второй элемент имеет направление поляризации, повернутое на угол , а после прохождения через первый элемент имеет направление поляризации, повернутое на угол _{обратн.}, равный –+. При прохождении этого луча через линейный поляризатор, ось которого параллельна начальному направлению поляризации луча, его относительное прохождение Т_{обратн.} будет определяться выражением

Т_{обратн.} =cos²(–).

Допустим также, что при малых углах поворота относительная потеря интенсивности Р_{обратн.} определяется уравнением

P_{обратн.}=(–)²,

полученным методом конечного расширения второго порядка косинусоидной функции.

Следовательно, потери в обратном направлении распространения отличаются от потерь в прямом направлении, что действительно соответствует требуемому результату. Тем самым можно дифференцированно варьировать интенсивность встречных мод, изменяя один из двух углов вращения или .

Ясно, что приведенные выше примеры можно в общем случае применить к любому сочетанию взаимного и невзаимного эффектов, влияющим на состояние поляризации света, при этом при помощи поляризующего элемента такое сочетание можно преобразовать в изменение интенсивности света. В реальном резонаторе на состояние поляризации оптических лучей и их интенсивность способны влиять компоненты различного типа (зеркала резонатора, активная среда, поляризаторы и т.д.). Чтобы точно знать состояние поляризации встречных лучей после совершения полного оборота в резонаторе, используют формализм матриц Джонса. Этот метод заключается в представлении влияния того или иного компонента на состояние поляризации при помощи матрицы 2×2, привязанной к плоскости, перпендикулярной направлению распространения лучей. Как правило, оси выбранной системы координат соответствуют главным осям внутрирезонаторного поляризатора, что упрощает математическое представление. В этом случае, чтобы определить соответствующее влияние всех внутрирезонаторных компонентов, достаточно определить собственные состояния произведения различных матриц, характеризующих данные компоненты. Поскольку это произведение необязательно должно быть коммутативным, влияние может различаться в зависимости от направления распространения лучей.

В показанном на фиг.2б примере для резонатора, который имеет поляризатор 71, элемент 7, обладающий взаимным эффектом, и элемент 8, обладающий невзаимным эффектом, матрица Джонса М_прям. при прохождении излучения в прямом направлении имеет следующий вид:

Поляризация в результате одного полного оборота соответствует линейной поляризации, отклоненной от оси поляризации поляризатора на угол +, а передача интенсивности через поляризатор равна cos(+)².

При прохождении излучения в обратном направлении матрица Джонса М_{обратн.} для того же резонатора, который имеет поляризатор 71, элемент 7, обладающий взаимным эффектом, и элемент 8, обладающий невзаимным эффектом, имеет следующий вид:

Поляризация в результате одного полного оборота соответствует линейной поляризации, отклоненной от оси поляризации поляризатора на угол –+, а передача интенсивности через поляризатор равна cos(-+)².

На фиг.3 показана общая схема лазерного гироскопа, предлагаемого в настоящем изобретении. Гироскоп имеет кольцевой резонатор 1, который состоит по меньшей мере из трех зеркал 11, 12 и 13, твердотельной активной среды 19 и оптического блока, который помещен на пути распространения встречных мод 5 и 6 и состоит из поляризующего элемента 71, устройства 7, обладающего взаимным эффектом, влияющим на состояние поляризации встречных мод, и устройства 8, обладающего невзаимным эффектом, также влияющим на состояние поляризации встречных мод, при этом по меньшей мере один из эффектов названных устройств является регулируемым. На выходе резонатора две оптические моды 5 и 6 поступают в измерительный фотодиод 3. При помощи двух полуотражающих пластин 43 часть лучей 5 и 6 отводят и направляют на два фотодетектора 42. Выходные сигналы названных фотодетекторов отображают интенсивность двух встречных мод 5 и 6. Названные сигналы передают на электронный модуль 4 обратной связи, который в зависимости от интенсивности принятых сигналов управляет устройством переменного действия (пунктирные стрелки на схеме). В результате происходят изменения состояний поляризации двух встречных лучей. Следовательно, данные изменения состояния поляризации приводят к различным оптическим потерям во встречных модах 5 и 6 всякий раз, когда после совершения одного полного оборота моды снова проходят через поляризующий элемент 71. Эти потери зависят от интенсивности выходных лучей. Если один из лучей имеет более высокую интенсивность, чем другой, его интенсивность будет ослаблена в большей степени, чтобы на выходе лучи имели одинаковый уровень интенсивности. За счет этого достигается стабилизация режима двунаправленной генерации по интенсивности.

Существуют поляризующие элементы 71 различных типов. В частности, поляризующий элемент может представлять собой линейный поляризатор. Его также изготавливают путем обработки одного из резонаторных зеркал. Также можно использовать отражательные свойства на границе между двумя средами с различными коэффициентами отражения, для чего, например, в резонатор можно поместить стеклянную пластину, наклоненную относительно направления распространения мод 5 и 6 под брюстеровским углом, или можно срезать под брюстеровским углом падения одну из поверхностей одного из элементов в резонаторе (в особенности активной среды или устройства, обладающего невзаимным эффектом).

Существуют различные способы изготовления оптических устройств, обладающих постоянным взаимным эффектом.

В частности, можно использовать непланарный резонатор, показанный на фиг.4а и 4б. Допустим, что резонатор 1 имеет по меньшей мере четыре зеркала 11, 12, 13 и 14, которые могут быть размещены, как это показано на фиг.4а, таким образом, что встречные лучи распространяются в одной плоскости (X, Y). В данном случае резонатор не вызывает взаимного вращения плоскости поляризации для мод, которые распространяются внутри него. Зеркала можно разместить и таким образом, чтобы встречные лучи уже не распространялись в одной плоскости, как это показано, например, на фиг.4б, где зеркало 12 смещено вдоль оси Z. Для этого случая было показано, что после обхода резонатора направление поляризации встречных лучей поворачивается на угол, зависящий от геометрии резонатора (А.С.Nilsson, E.K.Gustafson и R.L.Byer, Eigenpolarization Theory of Monolithic Nonplanar Ring Oscillators, IEEE Journal of Quantum Electronics, том 25, № 4, стр.767-790, 1989). Иными словами, непланарный резонатор способен вызывать взаимный эффект поворота направления (плоскости) поляризации у мод, которые распространяются внутри него, при этом данный эффект является постоянным и зависящим от геометрии резонатора.

Создать устройство, обладающее постоянным взаимным эффектом, также можно путем дополнительного введения в резонатор линейного поляризатора, направление поляризации которого не параллельно исходному направлению поляризации поляризующего элемента. В данном случае угол взаимного вращения равен углу, образованному двумя осями поляризующего элемента.

Наконец, для получения постоянного взаимного эффекта в резонатор дополнительно можно ввести двулучепреломляющую оптическую пластину. Если данная пластина является полуволновой пластиной, угол поворота в два раза превышает угол, образованный осью полуволновой пластины и осью поляризующего элемента. Очевидно, что такая полуволновая пластина может быть выполнена за одно целое с одним из зеркал резонатора, тем самым упрощая конструкцию устройства.

Одно из возможных решений с целью получения устройства, обладающего переменным взаимным эффектом, состоит в применении устройства, обладающего регулируемым двулучепреломлением. Чтобы создать регулируемое двулучепреломление, можно использовать:

– керамический материал, содержащий свинец, лантан, цирконий и титан (PB_1-xLa_xZr_1-yTi_yO₃), у которого как ориентацию средних осей, так и двулучепреломление в определенной области можно регулировать, окружив его электродами и создавая электрическое поле путем подачи напряжения в несколько сот вольт. Такие керамические материалы имеют толщину менее одного миллиметра, пропускают излучение в ближнем инфракрасном диапазоне, имеют управляющее напряжение несколько сот вольт и время отклика порядка одной микросекунды, совместимое с необходимой полосой пропускания, установленной на уровне нескольких десятков килогерц,

– жидкокристаллические клапаны (затворы) толщиной около 1 миллиметра (активная зона у которых имеет толщину около 20 мкм), имеющие управляющее напряжение около 100 вольт, или

– ячейки Поккельса, фазовый сдвиг у которых регулируется за счет изменения приложенного напряжения (обычно 1 кВ, чтобы фазовый сдвиг составлял /2). Данные ячейки, изготовленные, например, из дигидрофосфата калия или ниобата лития, аналогичны ячейкам, которые используют для возбуждения лазера. Они имеют толщину от одного до двух сантиметров и вносят нулевые потери.

Для создания устройства, обладающего невзаимным эффектом, обычно используют магнитооптические устройства, например устройства, обладающие эффектом Фарадея, которым для работы необходимо генерировать магнитное поле. В частности, такие элементы на основе эффекта Фарадея можно создать непосредственно на зеркалах резонатора за счет слоев магнитооптического материала. Если желательно получить постоянный невзаимный эффект, достаточно при помощи магнитных цепей на магнитных элементах генерировать постоянное магнитное поле. Если желательно получить переменный невзаимный эффект, достаточно создать переменное магнитное поле, например, при помощи индукционной катушки вокруг материала, обладающего эффектом Фарадея.

Если это допускает среда, целесообразно использовать такую активную среду, как среда на основе эффекта Фарадея, тем самым существенно упрощая конструкцию резонатора. Так, используемый в качестве активной среды лазеров, работающих в ближнем инфракрасном диапазоне, алюмоиттриевый гранат (АИГ), легированный неодимом, способен генерировать эффект Фарадея, достаточный для применения в данных целях. Это объясняется тем, что его константа Верне составляет около 103°Т^-1м^-1, что достаточно для того, чтобы угол фарадеевского вращения плоскости поляризации составил порядка одного градуса при пройденной толщине, не превышающей нескольких сантиметров, в присутствии магнитного поля менее одной теслы.

Предлагаемый в изобретении твердотельный лазер предпочтительно имеет монолитный резонатор, показанный на фиг.5. Данная конфигурация имеет ряд преимуществ.

В этом случае резонатор может быть выполнен непосредственно из материала, служащего активной средой. Поверхности резонатора можно использовать в качестве зеркал резонатора или в качестве поверхностей, поддерживающих зеркала резонатора, что упрощает производственные операции и обеспечивает более высокую геометрическую стабильность и более высокое сопротивление температурным и вибрационным воздействиям внешней среды. На фиг.6 схематически показан один из вариантов осуществления предлагаемого в изобретении лазерного гироскопа, в котором применен резонатор данного типа. Зеркала 11, 12 и 13 помещаются непосредственно на поверхностях монолитного резонатора. Материал 19 резонатора также служит активной средой. Основой данного материала является, в частности, алюмоиттриевый гранат (АИГ), легированный неодимом. В этом случае оптическую накачку осуществляют при помощи диодного лазера 2, луч 22 которого при помощи линзы 21 сфокусирован на активной среде.

Монолитный резонатор также может быть непланарным, как это показано на фиг.7. При этом взаимный эффект получают непосредственно за счет самой формы резонатора. В данном примере резонатор представляет собой толстую пластину с двумя плоскими параллельными поверхностями 195 и 196, между которыми расположены четыре наклонные боковые поверхности 191, 192, 193 и 194. Общая форма пластины такова, что она представляет собой усеченный клин. Наклон боковых поверхностей выбран таким образом, чтобы лучи света, проходящие через резонатор, следовали по траектории ломаного ромба, как это показано на фиг.7.

Одним из других преимуществ монолитного резонатора является возможность использовать активную среду 19 в качестве среды, обладающей эффектом Фарадея. В этом случае за счет намотки индукционной катушки 73 вокруг монолитного резонатора, как это показано на фиг.8а, получают переменное магнитное поле. Для повышения действенности эффекта Фарадея одну или несколько индукционных катушек можно намотать только на участок резонатора, как это показано на фиг.8б, чтобы магнитное поле всегда было параллельно направлению распространения. В этом случае в резонаторе необходимо проделать отверстия, чтобы пропустить через них электрические провода, образующие индукционные катушки.

Для получения постоянного магнитного поля на монолитный резонатор можно поместить постоянные магниты, как это показано на фиг.9.

Предлагаемый в изобретении лазерный гироскоп также может иметь резонатор, состоящий из оптических волокон. Данный принцип иллюстрируется на фиг.10, где показано, что резонатор главным образом состоит из оптического волокна 100, образующего кольцо, при этом оптическое волокно может быть частично легировано, чтобы играть роль активной среды. Могут быть предусмотрены все геометрические формы волокна, а именно одножильное волокно, двужильное волокно (для облегчения взаимодействия с лучом оптической накачки) или волокно, сохраняющее поляризацию проходящего излучения. Для извлечения двух встречных лучей 5 и 6 используют Y-образные волновые соединители 101. Третий волновой соединитель 101 используют для введения луча 102 оптической накачки в оптическое волокно. Осуществлять такое взаимодействие позволяют различные методики, в особенности, разработанные для оптической дальней связи (например, технология с V-образными канавками). Оптическую накачку осуществляют, например, при помощи диодного лазера накачки, который на фиг.10 не показан.

Взаимный оптический эффект легко получить, например, подвергнув волокно местной механической деформации, условно обозначенной прямоугольником 7. Невзаимные эффекты, которые условно показаны прямоугольником 8, также можно получить, используя эффект Фарадея. В результате развития технологий дальней связи появились полностью волоконные фарадеевские вентили, на входе и выходе которых расположены волоконно-оптические разъемы. К таким вентилям относятся невзаимные элементы, которые поворачивают направление поляризации линейно поляризованного света на 45°. Для обеспечения невзаимного вращения плоскости поляризации на иной угол эти вентили могут быть модифицированы путем изменения их геометрических характеристик или прикладываемых к ним магнитных полей.

Формула изобретения

1. Лазерный гироскоп, имеющий по меньшей мере один кольцевой оптический резонатор (1), который состоит по меньшей мере из трех зеркал (11, 12, 13), твердотельной активной среды (19) и системы (4, 42, 43) обратной связи, причем резонатор (1) и активная среда (19) обеспечивают существование внутри оптического резонатора двух встречных оптических мод (5, 6), распространяющихся в противоположных друг другу направлениях, система обратной связи позволяет поддерживать интенсивности двух встречных мод практически одинаковыми и включает в себя по меньшей мере оптический блок, расположенный внутри резонатора и состоящий из поляризующего элемента (71) и устройства (8), обладающего невзаимным эффектом, влияющим на состояние поляризации встречных мод, отличающийся тем, что оптический блок дополнительно содержит устройство (7), обладающее взаимным эффектом, также влияющим на состояние поляризации встречных мод, а система обратной связи включает средства управления по меньшей мере одним из эффектов устройств (7) или (8), обладающих взаимным и невзаимным эффектами.

2. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что поляризующим элементом (71) является линейный поляризатор.

3. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что поляризующим элементом (71) является по меньшей мере одно из зеркал (11, 12, 13) резонатора.

4. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что поляризующим элементом (71) является по меньшей мере наклонная стеклянная пластина, угол наклона которой относительно оптических мод (5, 6) примерно равен брюстеровскому углу, или одна из поверхностей элемента (7, 8 или 19) резонатора, срезанная под брюстеровским углом падения.

5. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что если устройством (7), обладающим взаимным эффектом, является второй линейный поляризатор, направление поляризации которого не параллельно направлению поляризации первого поляризатора, то система обратной связи состоит из средств регулирования невзаимного эффекта устройства (8), обладающего невзаимным эффектом.

6. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что если устройством (7), обладающим взаимным эффектом, является двулучепреломляющая оптическая пластина, то система обратной связи содержит средства регулирования невзаимного эффекта устройства (8), обладающего невзаимным эффектом.

7. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что если оптический резонатор представляет собой непланарный резонатор, то система обратной связи состоит из средств регулирования невзаимного эффекта устройства (8), обладающего невзаимным эффектом.

8. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что устройство (7), обладающее взаимным эффектом, представляет собой оптическую пластину, обладающую электрически регулируемым двулучепреломлением.

9. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что если устройство (8), обладающее невзаимным эффектом, состоит из материала, обладающего эффектом Фарадея и поляризованного постоянным магнитом, то система обратной связи состоит из средств регулирования взаимного эффекта устройства (7), обладающего взаимным эффектом.

10. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что устройство (8), обладающее невзаимным эффектом, состоит из материала, обладающего эффектом Фарадея, и поляризованного индукционной катушкой (73), управляемой регулируемым электрическим током.

11. Лазерный гироскоп по п.9 или 10, отличающийся тем, что активной средой и материалом, обладающим эффектом Фарадея, является один и тот же материал.

12. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что резонатор (1) является монолитным, причем встречные оптические моды (5, 6) распространяются внутри резонатора только в твердом материале.

13. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что активная среда (19) выполнена на основе алюмоиттриевого граната (АИГ), легированного неодимом.

14. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что резонатор (1) выполнен с оптической накачкой посредством по меньшей мере одного диодного лазера (2).

15. Лазерный гироскоп по п.1, отличающийся тем, что резонатор содержит по меньшей мере одно оптическое волокно (100) в виде кольца, снабженного волновыми соединителями (101) для ввода и вывода лучей, распространяющихся в противоположных направлениях, и по меньшей мере одного луча (102) оптической накачки.

РИСУНКИ