Кольцевой лазер для измерения угловых скоростей и перемещений

 

КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЫХ СКОРОСТЕЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ , состоящий из активного элемента, помещенного в основной резонатор, и невзаимного элемента, расположенного в дополнительном резонаторе, отличающийся тем, что, с целью уменьшения влияния магнитного поля, невзаимный элемент выполнен из двух поляризаторов, между которыми установлены ячейка Фарадея и циркулярная фазовая пластина. 4 U) о ос VO

СС1ОЭ СОВЕТСНИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСНИХ

РЕСПУБЛИН ()9) ® ())) 743 (51)4 Н 01 S 3/083

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMV СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ HOMHTET СССР

1 10 ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 2446667/18-25 (22) 26.01.77 (46) 23.f0.85. Бюл. К 39 (72) Г.П. Леднева и В.И. Сардыко (71) Ордена Трудового Красного

Знамени институт физики АН БССР (53) 621.375.8 (088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

11) 270359, кл. Н 01 S 3/083, 1964.

2. Патент США Ф 3537027, кл. 331-94,5, опублик. 1970. (54)(57) КОЛЬЦЕВОЙ ЛАЗЕР ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ УГЛОВЪ|Х СКОРОСТЕЙ И ПЕРЕМЕЩЕНИЙ, состоящий из активного элемента, помещенного в основной резонатор, и невзаимного элемента, расположенного в дополнительном резонаторе, отличающийся тем, что, с целью уменьшения влияния магнитного поля, невзаимный элемент выполнен из двух поляризаторов, между которыми установлены ячейка Фарадея и циркулярная фазовая пластина.

1 7430

Изобретение относится к квантовой электронике и может использоваться для измерения угловых скоростей и перемещений с помощью кольцевых оптических квантовых генераторов (ОКГ).

Известен кольцевой ОКГ для измерения угловых скоростей и перемещений, у которого частоты встречных

Волн разделены с помОщью невзаимнО го фазового элемента. Невзаимный 10 фазовый элемент представляет собой ячейку Фарадея, помещенную между двумя четверть-волновыми пластинками, причем главные оси пластинок развернуты на угол 90 (1J .

Однако известное устройство имеет ряд недостатков. Величина этой частотной подставки обычно невелика (килогерцы — десятки килогерц, что значительно меньше полосы резонатора), поэтому влияние обратной связи остается довольно большим, ачастотная характеристика остается нелинейной.

Величина частотной подставки 25 нестабильна, что обусловлено нестабильностью магнитного поля на ячейке Фарадея, влиянием внешних полей„ изменением постоянной Верде магнитооптического материала, изменением оптических толщин ячейки Фарадея и четвертьволновых пластинок при изменении температуры, наличии радиации и т.д. Изменение нелинейности частотной характеристики и нестабиль35 ность частотной подставки приводят к ошибкам измерения угловых скоростей и перемещений.

Известен кольцевой лазер для измерения угловых скоростей и пере- щ,. мещений, состоящий иэ активного элемента, помещенного в основной резонатор, и невзаимного элемента, расположенного в дополнительном резонаторе. Это устройство состоит нэ сложного кольцевого резонатора с двумя зеркалами связи. В основной контур резонатора помещают активный элемент, а B дополнительный — невэаимный фазовый элемент. Кевэаимный 5О фазовый элемент состоит иэ двух четверть-волновых пластинок с развернуо тыми на 90 главными осями, между которыми располагается ячейка Фарадея (21, Недостатком известного уст- 5 ройства является нестабильность разности частот встречных волн из-за нестабильности магнитного поля на

89 2 ячейке Фарадея, обусловленной влиянием внешних магнитных полей, изменением постоянной Верде магнитного оптического материала и т.д. Нестабильность разности частот встречных волн-частотной подставки приводит к ошибкам измерения угловых скоростей и перемещений.

Цель изобретения — уменьшение влияния магнитного поля, Поставленная цель достигается тем, что в предложенном лазере в качестве невзаимного элемента используют два поляризатора, между которыми установлены ячейка Фарадея и циркулярная фазовая пластинка. Изме" чения магнитных полей на ячейке

Фарадея приводят к изменению угла поворота плоскости поляризации ячейкой Фарадея. Возникшую вследствие этого дополнительную составляющую излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости пропускания полного поляризатора, в резонатор не пропускают полные поляризаторы. Таким образом, волна, прошедшая через невзаимное устройство, не вносит дополнительной разности фаз, которая влияет на положение генерируемых частот и на величину частотной подставки.

Ка фиг.1 приведена схема кольцевого лазера с сложным резонатором, у которого связь двух контуров осуществляется с помощью одного зеркала; на фиг. 2-4 — кривые частот.

Ка схеме показаны зеркала 1-3, которые вместе с зеркалом 4 связи образуют основной контур, зеркала 57,. которые вместе с зеркалом 4 связи образуют дополнительный контур, активный элемент 8, блок 9 питания активного элемента, полные поляризаторы 10, которые пропускают лишь одну из компонент, ячейка 11 Фарадея, поворачивающая плоскость поляриэа1 ции на 90О, циркулярная фазовая пластинка 12, поворачивающая плосо кость поляризации на 90, оптический смеситель 13, фотоприемник 14, регистрирующее устройство 15, пьезоэлементы 16 и системы 17 автоподстройки длин периметров контуров.

Буквой К и стрелкой обозначено магнитное поле, наложенное на ячеику

Фарадея.

В основном контуре находится активный элемент 8, в качестве ко743089 торого используют обычную гаэоразрядную трубку с брюстеровскими окнами, наполненную гелий-неоновой смесью. В дополнительном контуре расположен невэаимный элемент, состоящий из двух поляризаторов 10, главные оси которых совпадают, и ячейки 11 Фарадея с циркулярной фаэовой пластинкой 12 между кими. В качестве поляризатора можно использовать поляриэационные призмы, поляроиды и т.д. Ячейка 11 Фарадея перемещена в продольное магнитное поле, создаваемое: с помощью соленоида, через обмотку которого проходит постоянный ток, или с помощью постоянного магнита. Величина магнитного поля, а также характеристики магнитооптического вещества такие, что обеспечивают поворот плоскости поляризации излучения, прошедшего через ячейку Фарадея, на угол

90 . В качестве магнитооптического вещества ячейки Фарадея могут использоваться гранаты, ферритовые пленки, тербиевые и другие сорта стекол. В качестве циркулярной фазовой пластинки может использоваться пластинка из оптически активного вещества, Толщина пластинки и характеристики вещества такие, что обеспечивают поворот плоскости поляризации излучения, прошедшего через о пластинку на угол 90 . Прошедшее через поляризатор излучекие становится линейно поляризованным в плоскости, задаваемой поляризатором.

После прохождения ячейки Фарадея и циркуляркой фазовой пластинки в одном направлении плоскость поляриэао ции поворачивается на угол 180 а в противоположном — поворот равен

0, т.е, невзаимный фазовый элемент создает разность набега фаэ для о встречных лучей, равную 180 . Второй поляризатор обеспечивает сохранение плоскости поляризации на выходе из невэаимного элемента. Длина периметра дополнительного контура в два раза меньше длины периметра основного контура. В качестве фотоприемника 14 может использоваться фотоумножитель нли широкополосный фотодиод, чувствительный к сигкалу межмодовых биений.

Регистрирующее устройство 1S представляет собой стандартную радиотехническую аппаратуру и обеспе2S

55 чивает выделение и измерение разности двух, близких по величине частот межмодовых биений, содержащихся в фототоке приемника излучения

14. Пьезоэлементы !6 и системы автоподстройки 17 служат для автоподстройки длин периметров резонаторов с целью настройки частот продольных мод основного контура относительно кривой усилекия и совмещения резонансов дополнительного контура относительно продольных мод сложного резокатора. В качестве пьезоэлементов 16 и систем автоподстройки 17, а также в качестве остальных деталей и узлов (зеркала

i,2,3,5, 6 и 7, блок питания активного элемента 9, оптический смеситель 13) могут использоваться известные устройства, применяемые в лазерной технике. Зеркало 4 связи характеризуется тем, что частично пропускает излучение.

Устройство работает следующим образом.

Известно, что наличие дополнитегьного контура в сложном резонаторе приводит к возникновению зависящих от частоты потерь. При использовании кольцевого ОКГ частотные характеристики потерь для встречных направлений обычно совпадают. При помещении в дополнительный контур невэаимного элемента набеги фаз встреч- ных лучей в дополнительном контуре становятся разными, что позволяет сместить частоткую характеристику потерь сложного резонатора для одного направления распространения луча относительно частотной характеристики потерь для встречного каправления распространения луча.

В изобретении при включении ОКГ часть излучения от активного элемента через зеркало связи попадает в дополнительный контур и проходит через невэаимный элемент. При обходе дополнительного контура по часовой стрелке волна проходит через поляризатор, становится линейной поляризованной в плоскости, задаваемой главной осью поляризатора.

Ячейка Фарадея поворачивает плосо кость поляризации на 90, затем циркулярная фаэовая пластинка поворачивает плоскость поляризации дополrO нительно ка 9u, поэтому плоскость поляризации поворачиваегся на 180

743089

II 5

Излучение остается линейно поляризованным в плоскости полного поляри- . затора и проходит через второй поляризатор без потерь. Волна получает (. > дополнительный набег фазы 180 при проходе невзаимного элемента. Для направления против часовой стрелки поворот плоскости поляризации в ячейке Фарадея на 90 компенсируется поворотом плоскости поляризации в циркулярной фазовой пластинке на о

90 в противоположном направлении.

Полный поворот плоскости поляризации равен кулю. Волна при этом не получает дополнительного набега фазы.

Таким образом, иэ-эа различия набега фаз для волн во встречньгх направлениях частотные .".арактеристики резонатора смещены одна. относительно другой. Минимальным потерям в одном направлении соответствуют максимальные потери в другом и наоборот. При совмещении с помощью систем автоподстройки длин периметров основного и дополнительного контуров одних продольных мод сложного резонатора с его резонансами добротности для одного направления распространении луча и соседних продольных мод с резонансами добротности для другого направления распространения луча, при определенньх соотношениях между селективной способностью дополнительного контура уровнем неселективных потерь и накачки, разностью набега фаз встречных лучей в невзаимном элементе и длинами периметров основного и дополнительного контуров достигается режим генерации на типах колебаний TEN и п сложного резонатора с разкьичи для встречных направлений аксиалькыми индексами . Изменение магнитных полей приводит к отклонению угла поворота плоскости поляризации в ячейке Фарао дея от 90 . При этом появляется дополнительная составляющая излучения в плоскости, перпендикулярной плоскости поляризации. Однако полные поляризаторы не пропускают в резонатор эту составляющую излучения, и дополнительная разность хода равняется нулю. Таким обра=àê, изменение магнитного поля не влияет

»а стабильность частот, т.е. осуществляется реллм нечувствительный к изменению магнитного поля.

ЗО

Работа кольцевого ОКГ поясняется фигурами 2,3 и 4, где 3 — оптическая частота, i,,ß, 14, 5 96, 1? частоты семи продольных мод сложного резонатора, сплошными вертикальными линиями изображены продольные моды сложного резонатора, штриховыми линиями (фиг.4) — положения этих мод при вращении устройства: 8 4 /2 — величина смещения мод, вызванная вращением кольцевого ОКГ. Знаками плюс и минус обозначены направления распространения луча по и против часовой стрелки.

Кривыми 8 (3) (фиг.2) и Я (4) (фиг.3) изображены зависимости добротностей излучения в сложном кольцевом ОКГ для встречных волн, распространяющихся в основном контуре по и против часовой стрелки соответственно, 34 — расстояние между максимумами добротности. Кривой K < (Q) на фиг.4 изображен контур усиления рабочей линии.

B данном кольцевом ОКГ одно из зеркал резонатора заменено дополнительным контуром. Вследствие частотной зависимости коэффициента отражения дополнительного контура, которая аналогична частотной зависимости коэффициента отражения интерферометра Фабри-Перо, добротность данного сложного кольцевого резонатора зависит от частоты и имеет вид К+ Я и К (9) (фиг.2 и 3).

Здесь, поскольку в дополнительном контуре помещен невзаимный элемент, характеризующийся разностью набегов фаз для встречных направлений в

180, кривые 6 (9) и 3 (3) смещены одна относительно другой на вебЛ личину — т.е. области максиЯ мальных добротностей в каждом иэ направлений соответствуют области минимальных добротностей во встречном направлении. Расстояние между максимумами добротности для встречных волн равно 64 /2. Если длина периметра основного контура в два раза больше длины периметра дополнительного контура, то при определенных настройках длины периметра дополнительного контура сложный кольцевой резонатор характеризуется набором частот во встречных направлениях, каждая вторая мода которых попадает в область минимальных

743689

Уиг,4

Редактор И.Федькина Техред З.Палий Корректор И. Эрдейи

Заказ 7022/2 Тираж 637 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д, 4/5

Филиал ППП "Патент", r. Ужгород, ул. Проектная,4 добротностей. В силу этого достигается частотный режим (фиг.4). Здесь изображен случай, когда в пределах области генерации укладывается три продольные моды сложного кольцевого генератора. При вращении ОКГ происходит смещение генерируемых частот, и фототок приемника излучения 12 содержит частоты межмодовых биений

И е59 и В < - 8 3 - Регистрирующее устройство 15 выделяет разность частот(И i 31)-(a4>-Pg) 23g которая непосредственно несет информацию о вращении.

В описываемом изображении осуществляется режим генерации кольцевого ОКГ, нечувствительный к иэменению магнитного поля. При этом оптические частоты для встречных волн отличаются на величину межмодового расстояния. Таким образом, нестабильность магнитного поля на невзаимном элементе, изменения внешних полей не влияют на величину частотного разделения встречных лучей

1О и не могут существенно изменить условия продольных мод. Поэтому в предлагаемом изобретении ошибки измерения скорости вращения, обусловленные нестабильностью частотной подставки, 15 значительно меньше, чем s известном устройстве. Это позволяет значительно увеличить точность измерения малых частотных изменений, вызванных вращением.