книги из ГПНТБ / Применения лазеров

210 Фредерик Ароновиц

лучей на одной и той же резонансной частоте. При про­ хождении лучей через оптические элементы остаточное и вызванное механическим сжатием двулучепреломление вы­ зывает сдвиг нуля [28].

Кроме того, сдвиг фазы при отражении на зеркалах лучей с ортогональной поляризацией неодинаков [71]. В конструкции лазерного гироскопа в этом случае нельзя использовать трехзеркальный резонатор, так как для из­ лучения с s-поляризацией (электрическое поле перпенди­ кулярно плоскости падения) фаза изменяется на л при каждом отражении. При этом спектр продольных мод из­ лучения с s-поляризацией смещен на c/2L относительно спектра мод излучения с р-поляризацией (электрическое поле совпадает с плоскостью падения) [8].

Обычно лазерный гироскоп конструируется таким об­ разом, чтобы генерация осуществлялась лишь на одной продольной моде (на одной паре встречных волн). Это позволяет устранить эффекты взаимодействия между мо­ дами [17], которые могут привести к появлению побочных сигналов, маскирующих полезный сигнал.

Другой подход к решению проблемы уменьшения свя­ зи между встречными волнами заключается в получении генерации кольцевого лазера на большом количестве про­ дольных мод с их синхронизацией методом модуляции по­ терь внутри резонатора [18]. При синхронизации мод та­ ким методом два луча преобразуются в световые импульсы, длина которых составляет приблизительно Ѵ15 длины резо­ натора. В этом случае оба луча взаимодействуют лишь в местах, где импульсы света накладываются друг на друга. Этим достигается снижение связи между лучами.

Первые эксперименты по проверке этого подхода к решению проблемы уменьшения связи между лучами были проведены на кольцевом Не—Ne-лазере с рабочей длиной волны 0,63 мкм, длина резонатора которого составляла 411 см (расстояние между продольными модами ~73 МГц) [18]. Результаты экспериментов показали, что с помощью этого метода пороговая частота захвата уменьшается почти в 5 раз. При работе лазера на четырнадцати синхронизо­ ванных модах порог захвата составил 30 град/ч, в то время как при работе на двух синхронизованных модах порог захвата достигал ~120 град/ч. С другой стороны, из

уравнения (35) следует, что при данных размерах исполь­ зуемого лазера и при рассеянии на зеркале лишь 0,4% мощ­ ности можно измерять скорость вращения, вдвое превы­ шающую скорость вращения Земли (15 град/ч). При мень­ шем обратном рассеянии можно получить меньшее значение пороговой частоты захвата при тех же размерах лазера.

Таким образом, не ясно, можно ли уменьшить захват методом синхронизации мод по сравнению с одномодовым режимом, даже если световые импульсы встречных волн не перекрываются ни в активной среде, ни в модуляторе, ни на зеркалах, как это было в эксперименте. Возможное объясне­ ние этого состоит в том, что в режиме синхронизации мод обратное рассеяние на зеркалах не исчезает и описания этого режима в виде бегущих волн и импульсов не экви­ валентны.

4. 2. Постоянное смещение из области захвата

Несмотря на то что зона нечувствительности лазерного гироскопа составляет сотни градусов в час, с помощью этих гироскопов можно измерять скорости вращения менее 1 град/ч. Для этого используется метод смещения рабочей точки на характеристике лазерного гироскопа из зоны за­ хвата введением такого дополнительного вращения, при котором суммарная скорость вращения значительно пре­ восходит пороговую скорость захвата. При этом в лазерном гироскопе противоположно направленные волны имеют разные длины оптических путей и, следовательно, разные частоты.

Вывод лазерного гироскопа из зоны захвата можно осу­ ществить любым методом, в котором реализуется невза­ имность показателя преломления для противоположно направленных лучей.

Невзаимность показателя преломления в кольцевом резонаторе (разд. 3.2) может быть реализована движением среды на оптическом пути распространения лучей (пас­ сивные методы: введение вращающихся пластинок, прокачка газа или жидкостей; активные методы: ленгмюровский поток, катафорез), введением невзаимных магнитооп­ тических элементов (фарадеевские ячейки), а также допол­

212 Фредерик Ароновиц

нительным вращением кольцевого лазера с постоянной скоростью [11, 17, 24, 40, 41,53, 57, 60, 65, 79].

В работе [21] кольцевой лазер использован в качестве гирокомпаса. За счет ленгмюровского потока в непрерывном электрическом разряде с током 5 мА получено постоянное смещение 5 кГц. Это смещение оказалось достаточным, чтобы вывести кольцевой лазер из зоны захвата и обеспе­ чить его работу в качестве гирокомпаса. Для использо­ вания такого кольцевого лазера в гироскопе необходимо, чтобы он был чувствителен к знаку направления вращения. Однако при вращении в обоих направлениях со скоростью 1—2 град/с лазер будет работать на нелинейном участке

прокачкой активного газа (длина разрядного промежутка 30 см) со скоростью ~40 м/с. Это смещение оказалось дос­ таточно эффективным для вывода лазера из зоны захвата для некоторых видов применения. Однако такое смещение является недостаточным для применения кольцевого лазера в гироскопе и, кроме того, его нестабильность вызывает значительные осложнения. Величина смещения сильно зависит от характеристик прокачиваемого газа в трубке, разрядного тока, состава газовой смеси и давления газа.

В работе [79] описаны эксперименты, в которых лазер выводится из зоны захвата с помощью равномерного меха­ нического вращения. Скорость вращения была стабили­ зирована и обеспечивала постоянную частоту биений на выходе, равную 3,2 кГц, что почти в 5 раз превышало по­ роговую частоту захвата.

Метод, который наиболее часто используется для обеспечения постоянного смещения, заключается во введе­ нии в резонатор невзаимного фазового элемента. Элемент (фиг. 11) состоит из ячейки Фарадея, с двух сторон кото­ рой размещены четвертьволновые пластинки с взаимно перпендикулярными осями. Пластинки расположены та­ ким образом, что лазерное излучение, имеющее плоскую поляризацию, падает на пластинки под углом 45° относи­ тельно их осей.

Основой невзаимного фазового элемента является ячей­ ка Фарадея, содержащая магнитоактивный материал, и

вектора поляризации. После фарадеевского элемента излу­ чение имеет круговую поляризацию с тем же направлением вращения вектора поляризации, однако приобретает при­ ращение фазы ф.

После второй пластинки излучение снова становится линейно поляризованным. Луч, приходящий справа, прохо­ дит вторую четвертьволновую пластинку и при этом меняет поляризацию на круговую с правым направлением враще­ ния вектора поляризации. Так как теперь направление распространения антипараллельно магнитному полю, излучение приобретает приращение фазы с обратным знаком. Первая четвертьволновая пластинка снова пре­ образует круговую поляризацию в линейную. Отметим, что при этих рассуждениях учитывается только невзаим­ ное изменение фазы, так как взаимные изменения фазы компенсируются.

Разность фаз ср пропорциональна напряженности маг­ нитного поля и длине ячейки. Коэффициент пропорцио­ нальности, известный как постоянная Верде, обычно имеет порядок 0,17Гс/см. Разность фаз ф эквивалентна разности оптических путей для противоположно направленных лу­ чей. Она вызывает приращение разности частот

ного поля легко получить расщепление, эквивалентное угловой скорости ІО5— 10® град/ч.

Такое большое смещение позволяет измерять высокие скорости знакопеременного вращения, а также уменьшает нелинейность масштабного коэффициента.

Из уравнения (27) для больших скоростей вращения находим

Использование невзаимного фазового элемента сопря­ жено с определенными трудностями. Для получения ин­ формации об истинной измеряемой скорости вращения

ность магнитного поля и температуры, так как постоянная

Одним из способов решения проблемы стабилизации смещения [44, 46] является применение знакопеременного смещения, эквивалентного попеременному реверсивному вращению (см. фиг. 5, в). Идея этого метода заключается в уменьшении времени, в течение которого лазерный гиро­ скоп находится в зоне захвата. Так как лазерный гироскоп является интегрирующим гироскопом, то измеряется толь­ ко суммарная скорость вращения. Метод переменного смещения значительно снижает требования к стабильности абсолютной величины смещения.

Для переменного смещения, изменяющегося по сину­ соидальному закону, уравнение (23) для частоты биений при наличии связи через обратное рассеяние принимает

гдеПо—амплитуда смещения, cod— круговая частота вра­ щательных колебаний.

В общем случае уравнение (38) можно решить лишь чис­ ленным методом с помощью ЭВМ, однако интерпретация этих решений достаточно сложна. На фиг. 12 показан вид рабочей характеристики лазерного гироскопа при знако­ переменном смещении [45]. Частота биений в области зах­ вата не равна нулю, рабочая характеристика линейна в

ющих амплитуду смещения, отклонение масштабного коэффициента от постоянного значения описывается тем же уравнением (37), что и при отсутствии смещения (только £2 обозначает суммарную скорость вращения).

При угловых скоростях, меньших амплитуды смещения, отклонение масштабного коэффициента имеет положитель­ ное значение, которое тем меньше, чем меньше отношение порога захвата к амплитуде смещения. Анализ показывает, что амплитуда смещения должна быть больше порога захвата, а для уменьшения флуктуаций масштабного коэффициента отношение порога захвата к амплитуде смещения должно быть минимальным.

Все методы, рассмотренные в разд. 4.2, можно исполь­ зовать для создания знакопеременного смещения. При этом, однако, необходимо помнить, что смещение в обе стороны относительно нулевой точки должно быть строго

симметричным. Любая асимметрия в течение одного перио­ да смещения приводит к появлению кажущегося вращения

ик образованию постоянной составляющей ошибки. Лишь при механическом смещении не происходит накоп­

ления ошибки, так как амплитуда колебаний физически огра­ ничена. Этот способ имеет еще одно важное преимущество.

Действительно, при больших амплитудах смещения для обработки сигнала требуются широкополосные элек­ тронные схемы, а при создании переменного смещения ме­ ханическим путем (за счет крутильных колебаний гиро­ скопа) этой проблемы не возникает и можно использовать узкополосные электронные схемы регистрации выходного сигнала. Это связано с тем, что при механическом способе создания переменного смещения движение интерференцион­ ных полос, вызванное смещением, может быть скомпенсиро­ вано [45].

Выбор метода смещения является наиболее важной про-

218 Фредерик Ароновиц

блемой в процессе конструирования лазерных гироскопов. Решения, предложенные до настоящего времени, обладают недостатками, и поэтому в этом направлении продолжаются поиски. Тем не менее проблема устранения захвата частот

ростях вращения лазерного гироскопа. Положение ви­ димых полос было зарегистрировано с помощью скорост­ ного фоторегистратора (стрик-камеры), размещенного та­ ким образом, что движение пленки осуществлялось в горизонтальном направлении, а горизонтальные интерферен­ ционные полосы перемещались в вертикальном направ­ лении. При такой схеме записи на пленке появляются пре-

рывистые полосы, наклон которых пропорционален частоте биений. Каждая из последовательных наклонных полосок соответствует повороту на угол 0,27".

На фиг. 15 приведена зависимость угла поворота лазер­ ного гироскопа, определяемого путем подсчета интерферен­ ционных полос, от времени. Измерения производились в течение 1,1 с, что соответствует длине пленки ~ 30 м. Максимальная суммарная скорость вращения составляла ~2000 град/ч. Хотя порог захвата составлял несколько сотен градусов в час, была измерена постоянная составля­ ющая скорости вращения, равная ~23 град/ч. Эта скорость