3.1.2. Кольцевой лазер и его основные характеристики

Очевидно, кольцевым лазером будет являться квантовый прибор с кольцевым активным резонатором, в котором излучения распространяются навстречу друг другу и выводятся на интерференционный оптический смеситель.

Первый образец кольцевого лазера создан в 1962 г. и представлял собой четыре He-Ne лазера, расположенных по сторонам квадрата. В каждом из углов находились зеркала, установленные под углом 45° к оптической оси лазера таким образом, что луч света, выходящий из лазера, отражался от зеркала и попадал на соседний. Световая энергия излучалась с обоих концов съюстированных разрядных трубок, поэтому в системе возникали два световых луча, движущихся по кольцу в противоположных направлениях. Часть энергии обоих лучей выводилась из системы с помощью полупрозрачного зеркала и подавалась на регистрирующий фотоприемник - фотоумножитель. Частоты генерируемых колебаний определились несколькими факторами, в частности, собственными резонансными частотами кольцевого оптического резонатора. Если кольцевой резонатор вращался вокруг оси, перпендикулярной к его плоскости, то пути, которые должны в нем пройти две встречные волны, чтобы попасть в точку активной среды, откуда они вышли, различны. Разность путей L пропорциональна угловой скорости резонатора. Действительно, если кольцевому резонатору, частично или полностью заполненному активной средой, придать вращение с угловой скоростью (t), то в замкнутом контуре по общему генерационному каналу будут распространяться две встречные волны излучения с разными угловыми скоростями:

; ,

где причем угловая скорость светового пучка при отсутствии вращения контура намного больше возмущения, т.е. ₀ >> (t)

Направляя часть энергии встречных пучков для создания интерференционной картины в специальном оптическом смесителе и фокусируя эту картину на фотоприемник, на выходе системы получаем разностную частоту биений уже в кольцевом лазере в виде последовательности импульсов, частота которых пропорциональна проекции вектора угловой . скорости на нормаль к плоскости распространения встречных волн Y.

На рис.3.2,а изображена выходная характеристика (ВХ) лазерного гироскопа (1 - идеальная; 2 – расчетная; 3 – область возможного нахождения реальной ВХ; 4 - гистерезис ВХ; 5 - зона захвата (нечувствительность) и гистерезис разностной частоты F_r от угловой скорости (t)). На рис. 3.2,б - пунктирной линией показана идеальная выходная характеристика; сплошные кривые - расчетные; 2_entrap - полная область захвата; ₁ и _up- нижняя и верхняя границы области захвата (кривые при <0 изображены вниз условно).

На рис. 3.2,а кривая 2 изображает расчетную входную характеристику, реальная находится в заштрихованной области 3, так как разностная частота на выходе лазера является функцией многих его параметров: относительной разности добротностей для встречных излучений, растройки резонатора, положения резонансной частоты генерации на доплеровском контуре усиления, разности интенсивности встречных излучений, ширины спектральной линии излучения и ширины резонансной кривой резонатора, значения давления газовой смеси и ее компонентов, модового состава излучения и др. Кроме наличия существенной зоны нечувствительности (захвата) реальная ВХ изменяет свою крутизну на K_in, и имеет начальный сдвиг угловых скоростей - дрейф _dr

_{Рис.3.2. Выходная характеристика (ВХ) лазерного гироскопа (а):}

_{1 – идеальная; 2 – расчётная; 3 – область возможного нахождения реальной ВХ;}

_{4 – гистерезис ВХ; 5 – зона захвата (нечувствительность) и гистерезис разносной частотной}

_{Fр от угловой скорости  (t) (б – пунктирная линия – идеальная выходная характеристика;}

_{сплошные кривые – рсчётные; 23x – полная область захвата; и 3x нижняя и}

_{верхняя границы области захвата (кривые при < 0 изображены вниз условно).}

Рис. 3.2.

Нелинейность ВХ определяют по изменению масштабного коэффициента (крутизны ВХ). При вариациях (t) находят относительное изменение крутизны ВХ

где - крутизна ВХ в точке смещения частот.

Например, для типовых кольцевых лазеров нелинейность ВХ составляет менее 10^-4 при измерениях (t) в пределах 510^-2...510³ рад/с. Для современных кольцевых лазеров с периметром L=100 см, работающих.на длине волны ₀=0,63 мкм, зона захвата 2_in1510^-4 рад/с, а дрейф _dr110^-7 … 1,510^-7 рад/с. Минимальное значение зоны нечувствительности тщательно выполненных лазеров составляет 50...100 Гц. Петля гистерезиса ВХ обусловлена зависимостью разности показателей преломления и коэффициентов рассеяния встречных излучений от состояния плазмы в резонаторе кольцевого лазера. Гистерезис проявляется в том, что выход из зоны захвата происходит при большем значении (t), чем вход в эту зону: .

Диапазон измеряемых угловых скоростей определяют соотношением

где - половина зоны нечувствительности. Например, для кольцевого лазера площадь резонатора S=100 см² и ₀ =0,610^-4 см, рад/с. Поскольку на выходе лазера время распространения, фаза, интенсивность и частота бегущих навстречу волн зависят от угловой скорости, все существующие кольцевые лазеры можно классифицировать как по параметру выходного электромагнитного поля, так и но типу измерительного устройства, определяющего тот или иной информативный параметр. Существуют четыре основных типа кольцевых лазеров: временные, фазовые, амплитудные и частотные. Практический интерес представляют частотные измерители угловой скорости. Например, частотный лазер с прямоугольным резонатором площадью 1 м² .работающий на частоте 510¹⁴ Гц, имеет чувствительность 410⁵ Гц на 1 рад/с (t) и регистрирует время запаздывания встречных волн с точностью до 10^-16 с. Несомненные достоинства частотных методов регистрации (t) объясняет преимущества частотных кольцевых лазеров перед датчиками угловой скорости других типов.